Khóa luận tốt nghiệp đánh giá ô nhiễm trầm tích biển

1 Khóa luận tốt nghiệp MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU 3 DANH MỤC BẢNG BIỂU 4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 5 MỞ ĐẦU 6 Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT 8 1.1. Lý thuyết về phân tích kích hoạt neutron 8 1.1.1. Giới thiệu 8 1.1.2. Nguyên tắc cơ bản trong phân tích kích hoạt 9 1.1.3. Phổ thông lượng neutron trong lò phản ứng 10 1.1.4. Phương trình phân tích kích hoạt 12 1.1.5. Các phương pháp chuẩn hóa trong phân tích kích hoạt neutron 13 1.1.5.1. Phương pháp chuẩn hóa tuyệt đối 13 1.1.5.2. Phương pháp chuẩn hóa tương đối 14 1.1.5.3. Phương pháp chuẩn hóa đơn nguyên tố 15 1.1.5.4. Phương pháp chuẩn hóa k zero 15 1.2. Giới thiệu về trầm tích biển 17 1.2.1. Khái niệm và nguồn gốc hình thành trầm tích biển 17 1.2.2. Thành phần cấu tạo hóa học và khoáng chất trong trầm tích 19 1.2.3. Một số tiêu chuẩn đánh giá mức độ ô nhiễm của các nguyên tố trong mẫu trầm tích biển 21 Chương 2 –THỰC NGHIỆM 24 2.1. Quá trình chuẩn bị mẫu phân tích, mẫu chuẩn và lá dò 24 2.2. Thực nghiệm chiếu và đo mẫu 26 2.3. Xử lý phổ gamma và tính toán kết quả bằng chương trình k 0 -DALAT 29 Chương 3 – BÁO CÁO KẾT QUẢ VÀ BÌNH LUẬN 30 3.1. Kết quả phân tích hàm lượng 30 2 Khóa luận tốt nghiệp 3.2. Đánh giá phương pháp phân tích 35 3.3. Đánh giá mức độ ô nhiễm của các nguyên tố trong mẫu trầm tích biển 37 3.3.1. Trầm tích biển ven bờ huyện Đông Hải, tỉnh Bạc Liêu 37 3.3.2. Trầm tích biển ven bờ thuộc huyện U Minh, tỉnh Cà Mau 47 KẾT LUẬN 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 PHỤ LỤC 53 3 Khóa luận tốt nghiệp DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU Kí hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt INAA NAA Intrusmental Neutron Activation Analysis Neutron Activation Analysis Phân tích Kích hoạt Neutron Dụng cụ Phân tích Kích hoạt Neutron k 0 -NAA k zero Standardization Method of Neutron Activation Analysis Phương pháp Chuẩn hóa k zero trong Phân tích Kích hoạt Neutron I geo Geo-accumulation Index Chỉ số Lắng đọng Địa chất EF x Enrichment Factor for Element x Hệ số Làm giàu của Nguyên tố x LOD IAEA EEC Limit of Detection International Atomic Energy Agency European Economic Community Giới hạn Phát hiện Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế Cộng đồng Kinh tế châu Âu 4 Khóa luận tốt nghiệp DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 2.1. Tọa độ khu vực lấy mẫu trầm tích 25 Bảng 2.2. Hệ phổ kế gamma sử dụng detector HPGe GMX-30190 tại PTN INAA, viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt 28 Bảng 2.3. Tóm tắt các chế độ chiếu- rã- đo cho mẫu trầm tích 28 Bảng 3.2. Hàm lượng trung bình, dải hàm lượng của 26 nguyên tố trong 10 mẫu trầm tích thuộc core GH01 30 Bảng 3.4. Hàm lượng trung bình, dải hàm lượng của 26 nguyên tố trong 14 mẫu trầm tích thuộc core 160408-1 31 Bảng 3.3. Hàm lượng trung bình, dải hàm lượng của 26 nguyên tố trong 11 mẫu trầm tích thuộc core 160408-2 32 Bảng 3.1. Hàm lượng trung bình, dải hàm lượng của 26 nguyên tố trong 11 mẫu trầm tích thuộc core 170408-3 33 Bảng 3.5. Hàm lượng trung bình, dải hàm lượng của 26 nguyên tố trong 13 mẫu trầm tích thuộc core 070408-1 34 Bảng 3.6. Kết quả phân tích mẫu chuẩn trầm tích NMIJ CRM 7302a bằng quy trình k 0 -NAA 36 5 Khóa luận tốt nghiệp DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Mô hình kích hoạt nhân bia tạo nhân phóng xạ 9 Hình 1.2. Thông lượng neutron biểu diễn theo năng lượng 12 Hình 2.1. Bản đồ khu vực lấy mẫu trầm tích biển 24 Hình 2.2. Giao diện chương trình k 0 - DALAT 29 Hình 3.1. Kết quả phân tích mẫu chuẩn NMIJ CRM 7302a bằng phương pháp k 0 (trục tung biễu diễn tỉ số giữa giá trị thực nghiệm và giá trị certified,Y-error bar biễu diễn giá trị Z-score tương ứng) 36 Hình 3.2. Biểu đồ thể hiện hệ số làm giàu EF theo độ sâu của 26 nguyên tố trong core GH01 38 Hình 3.3. Biểu đồ thể hiện chỉ số lắng đọng địa chất I geo theo độ sâu của 26 nguyên tố trong core GH01 39 Hình 3.4. Biểu đồ thể hiện hệ số làm giàu EF theo độ sâu của 26 nguyên tố trong core 160408-1 40 Hình 3.5. Biểu đồ thể hiện chỉ số lắng đọng địa chất I geo theo độ sâu của 26 nguyên tố trong core 160408-1 41 Hình 3.6. Biểu đồ thể hiện hệ số làm giàu EF theo độ sâu của 26 nguyên tố trong core 160408-2. 42 Hình 3.7. Biểu đồ thể hiện chỉ số lắng đọng địa chất I geo theo độ sâu của 26 nguyên tố trong core 160408-2 43 Hình 3.8. Biểu đồ thể hiện hệ số làm giàu EF theo độ sâu của 26 nguyên tố trong core 170408-3. 44 Hình 3.9. Biểu đồ thể hiện chỉ số lắng đọng địa chất I geo theo độ sâu của 26 nguyên tố trong core 170408-3 45 Hình 3.10. Biểu đồ thể hiện hệ số làm giàu EF theo độ sâu của 26 nguyên tố trong core 070408-1. 47 Hình 3.11. Biểu đồ thể hiện chỉ số lắng đọng địa chất I geo theo độ sâu của 26 nguyên tố trong core 070408-1 48 6 Khóa luận tốt nghiệp MỞ ĐẦU Phân tích kích hoạt neutron (Neutron Activation Analysis - NAA) là một kỹ thuật phân tích hạt nhân đặc trưng có độ nhạy và chính xác cao, có khả năng phân tích định tính và định lượng đa nguyên tố trong các dạng mẫu khác nhau, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như khai thác dầu khí, khảo sát ô nhiễm môi trường, nghiên cứu các quá trình nông nghiệp, nghiên cứu khảo cổ, khảo sát địa chất, v.v… Phương pháp chuẩn hóa k-zero trong NAA (hay còn gọi là k 0 -NAA) được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1974 bởi hai tác giả là F. De Corte và A. Simonits. Từ đó cho đến nay, k 0 -NAA luôn được quan tâm phát triển và sử dụng tại nhiều phòng thí nghiệm NAA trên thế giới và đã được hiệp hội phân tích hạt nhân (Nuclear Analytical Community) công nhận như một phương pháp phân tích chuẩn hóa [1]. Trong nghiên cứu trầm tích biển, phương pháp NAA mà cụ thể là k 0 -NAA là một phương pháp phân tích được các nhà nghiên cứu sử dụng rộng rãi để phân tích thành phần hóa học nhờ vào những đặc điểm nổi bật đã nêu ở trên. Ngoài những ưu điềm chung vốn có của NAA, k 0 -NAA còn có một số ưu điểm riêng như: (i) không cần sử dụng mẫu chuẩn hay mẫu tham khảo trong qui trình phân tích; (ii) sai số phân tích khi dùng k 0 -NAA mang tích hệ thống khá ổn định, điều này đặc biệt hữu ích khi nghiên cứu đối tượng; (iii) linh hoạt trong thực nghiệm (các điều kiện chiếu, đo) và dễ dàng tự động hóa trong qui trình phân tích [2]. Tại Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt, kĩ thuật phân tích k 0 -NAA trên lò phản ứng đã được bắt đầu nghiên cứu từ những năm đầu thập niên 80 của thế kỷ trước. Đến năm 2002, chương trình k 0 -Dalat được dùng để tính toán hàm lượng nguyên tố do TS. Hồ Mạnh Dũng thiết kế và xây dựng chính thức ra đời và được sử dụng cho đến ngày nay. Việt Nam có đường bờ biển dài 3260 km và đặc khu kinh tế rộng gần 1,5 triệu km 2 , là một quốc gia có lãnh hải lớn trong khu vực Đông Nam Á. Theo thống kê cho thấy có gần 20% dân số Việt Nam sống dọc theo bờ biển và nhờ cậy vào biển. Biển là hệ sinh thái chịu ảnh hưởng không những từ hoạt động kinh tế, xã hội địa 7 Khóa luận tốt nghiệp phương mà còn chịu sự chi phối to lớn của những yếu tố xuyên quốc gia. Để phát triển kinh tế biển bền vững, nhiều quốc gia cũng như các tổ chức quốc tế đang đặt ra những yêu cầu cấp bách và cụ thể về quản lý và ngăn ngừa ô nhiễm môi trường biển. Một trong những nhiệm vụ hàng đầu là thực hiện khảo sát theo dõi đánh giá các loại ô nhiễm biển thông qua khảo sát đánh giá chất lượng trầm tích với mục đích xác định hiện trạng và xu thế diễn biến chất lượng môi trường biển, nguyên nhân và mức độ ô nhiễm, kịp thời phát hiện các sự cố môi trường nhằm giúp các nhà quản lý tìm ra các biện pháp hạn chế và ngăn ngừa ô nhiễm, bảo vệ và phát triển bền vững môi trường biển [3]. Trầm tích biển được xem là một trong những đối tượng có thể chỉ thị cho sự thay đổi của quá trình ô nhiễm môi trường, chủ thể của các tác nhân gây ô nhiễm và nó cũng cung cấp thông tin về quá trình chẳng hạn như quá trình trầm tích, động học nước, quá trình tương tác gây ô nhiễm, quá trình tương tác giữa sinh vật và trầm tích, và các chỉ thị mang tính lịch sử. Vì vậy, việc phân tích trầm tích bằng việc xác định các nguyên tố vết có thể giúp tái tạo lại lịch sử của sự biến đổi, tìm hiểu tác động do con người lên hệ sinh thái và đưa ra những biện pháp khắc phục [2]. Trong khóa luận này bên cạnh việc sử dụng phương pháp k 0 -NAA trên lò phản ứng để phân tích hàm lượng 26 nguyên tố trong 59 mẫu trầm tích biển thu thập tại 01 địa điểm của vùng bờ biển tỉnh Cà mau và 04 địa điểm của vùng bờ biển tỉnh Bạc liêu, tác giả còn dùng một số các tiêu chuẩn đánh giá mức độ ô nhiễm của các nguyên tố trong trầm tích để đánh giá mức độ nhiễm bẩn như: (1) phương pháp đánh giá hàm lượng các nguyên tố đa lượng và nguyên tố vết thông qua chỉ số lắng đọng địa chất I geo ; (2) đánh giá độ phì nhiêu của kim loại trong mẫu trầm tích qua phương pháp tính hệ số làm giàu EF x . Nội dung khóa luận được chia làm ba chương:  Chương 1- Tổng quan về lý thuyết  Chương 2 - Thực nghiệm  Chương 3 - Báo cáo kết quả và bình luận 8 Khóa luận tốt nghiệp Chương 1 TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT 1.1. Lý thuyết về phân tích kích hoạt neutron 1.1.1. Giới thiệu Phân tích kích hoạt neutron là phương pháp xác định hàm lượng nguyên tố trong mẫu vật đã được Georg von Hevesy và Hilde Levi áp dụng lần đầu tiên vào năm 1936. Đây được coi là một trong những phương pháp hiện đại và chính xác nhất trong việc xác định hàm lượng các nguyên tố dựa vào việc kích hoạt các hạt nhân hiện diện trong mẫu bằng hạt neutron. Ngày nay đây là một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi trên các lò phản ứng nghiên cứu và các phòng thí nghiệm hạt nhân trên toàn thế giới [4]. Mỗi hạt nhân trong mẫu đều có một xác suất bắt neutron xác định. Xác suất này có thứ nguyên được mô tả bằng đơn vị diện tích và được gọi là tiết diện bắt neutron (σ). Thông lượng neutron được biểu diễn là số neutron đi qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian (n/cm 2 /sec). Các hạt nhân có cùng số proton nhưng khác số neutron là các đồng vị của nhau nhưng vẫn thuộc về cùng một nguyên tố. Tỉ số hạt nhân tương đối giữa các đồng vị của một nguyên tố nào đó gọi là độ phổ biến đồng vị (θ). Khi neutron tương tác với hạt nhân bia qua quá trình tán xạ không đàn hồi, một hạt nhân hợp phần ở trạng thái kích thích được tạo ra. Năng lượng kích thích của hạt nhân hợp phần chính là năng lượng liên kết của neutron với hạt nhân. Hầu hết các hạt nhân hợp phần đều có xu hướng trở về trạng thái cân bằng hơn bằng cách phát tia gamma tức thời đặc trưng. Trạng thái cân bằng mới này tạo ra một hạt nhân phóng xạ hay còn gọi là đồng vị phóng xạ. Các đồng vị này phân rã bằng cách phát ra một hay nhiều gamma trễ có năng lượng đặc trưng nhưng ở một tốc độ chậm hơn nhiều so với quá trình phát ra tia gamma tức thời ở trên. Tia gamma phát ra với một xác suất riêng được gọi là cường độ phát gamma tuyệt đối (γ). Các tia gamma có thể được phát hiện bằng detector bán dẫn có độ phân giải năng lượng cao. Trong 9 Khóa luận tốt nghiệp phổ gamma, năng lượng của đỉnh xác định sự có mặt của nguyên tố trong mẫu hay còn gọi là phép định tính, và diện tích đỉnh cho phép ta định lượng nguyên tố đó [1]. 1.1.2. Nguyên tắc cơ bản trong phân tich kích hoạt Cơ sở cho việc phân tích kích hoạt neutron là dựa vào phản ứng hạt nhân của các đồng vị bia với neutron lò phản ứng hạt nhân. Phản ứng được quan tâm nhiều nhất trong phân tích kích hoạt neutron là phản ứng (n, γ) với một hạt nhân X (nhân bia) hấp thụ một neutron sẽ tạo ra một nhân phóng xạ có cùng số Z nhưng khối lượng nguyên tử tăng lên một đơn vị và phát ra bức xạ gamma tức thời. Quá trình này diễn ra như sau: A 1 A+1 * A+1 Z 0 Z z X+ n ( X) X+γ Trong đó: A: số khối của nguyên tố bia, Z: số điện tích hạt nhân bia, Ký hiệu (*) biểu diễn nhân hợp phần. Hình 1.1. Mô hình kích hoạt nhân bia tạo nhân phóng xạ. 10 Khóa luận tốt nghiệp 1.1.3 Phổ thông lượng neutron trong lò phản ứng hạt nhân Neutron trong lò phản ứng hạt nhân ban đầu là các neutron nhanh được sinh ra từ phản ứng phân hạch nhiên liệu, sau đó các neutron này bị mất dần năng lượng và bị nhiệt hóa do tương tác với chất làm chậm (thường là nước) bên trong lò phản ứng. Do vậy ở các vị trí khác nhau trong lò phản ứng phân bố thông lượng neutron cũng bị thay đổi đáng kể. Ban đầu neutron sinh ra có năng lượng ban đầu khoảng từ 0 đến 20 Mev. Trong khoảng năng lượng này tính chất tương tác của neutron với vật chất là khác nhau trong miền năng lượng khác nhau. Vì vậy, một cách tương đối, neutron trong lò phản ứng được chia làm ba vùng năng lượng ứng với phân bố thông lượng khác nhau của mỗi vùng như sau: - Neutron nhiệt: có năng lượng nằm trong khoảng 0 < E n < 0,5 eV. Neutron nhiệt có phổ neutron phân bố theo phân bố Maxwell-Boltzmann: E - kT 1/ 2 n 3/ 2 n 2π dn = e .E dE n (πkT ) . (1.1a) Trong đó: dn là số neutron với năng lượng khoảng từ E đến E+dE, n là số neutron tổng cộng trong hệ, k = 8,61x10 -5 eV/K là hằng số Boltzmann, T n là nhiệt độ neutron hay môi trường (đơn vị K). Ở nhiệt độ phòng thí nghiệm T = 293,6 K và E = kT = 0,0253 eV thì v = 2200 m.s -1 . Phổ thông lượng của neutron nhiệt tại nhiêt độ T n phân bố như sau: -E/(kT ) n mm 2 n E ' (E) = e (kT )  (1.1b) Với m  - thông lượng neutron toàn phân theo phân bố Maxwell. Khi đó phân bố thông lượng tương ứng là: mm ' (v) = n' (v).v  (1.1c) - Neutron trên nhiệt: Có năng lượng trong khoảng từ 0,5 eV < E < 0,5 MeV. Vùng này còn được gọi là vùng trung gian hay vùng cộng hưởng. Sự phân bố neutron trên [...]... tiêu chuẩn đánh giá mức độ ô nhiễm của các nguyên tố trong mẫu trầm tích biển Để đánh giá mức độ ô nhiễm của một số nguyên tố hóa học chứa trong trầm tích, ngoài việc xác định hàm lượng của các nguyên tố bằng các phương pháp phân tích, người ta còn sử dụng một số tiêu chuẩn nhằm đánh giá hàm lượng của các nguyên tố, từ đó có thể đánh giá mức độ ô nhiễm của môi trường thông qua mẫu trầm tích Các phương... nên sự ô nhiễm lên trầm tích biển 1.2.1 Khái niệm và nguồn gốc hình thành trầm tích biển Trầm tích biển là một dạng vật chất không hòa tan trong nước biển chủ yếu là các hạt cát sỏi, các mảnh vụn vô cơ, hữu cơ được vận chuyển từ đất liền ra biển bởi các dòng nước và gió hoặc do sự tác động của thủy triều, mặt khác trầm tích biển có thể 18 Khóa luận tốt nghiệp là phần còn lại của các sinh vật biển sau... trầm tích Do sự khác biệt về kích cỡ hạt trầm tích ở mỗi độ sâu khác nhau là không giống nhau nên người ta thường chia trầm tích trong tự nhiên làm hai loại đó là trầm tích biển lục địa và trầm tích biển khơi Đặc điểm của trầm tích biển lục địa hay còn được gọi là trầm tích thềm lục địa, được giới hạn trong khoảng độ sâu từ 100 đến 200 m gần bờ biển Trầm tích biển lục địa hình thành trong quá trình tích. .. tới các mẫu trầm tích biển thu được Mặt khác trầm tích thềm lục địa là vùng trầm tích nằm trong khoảng giữa trầm tích biển khơi và trầm tích vùng duyên hải, sự hiện diện của trầm tích thềm lục địa phản ảnh sự tăng của mực nước biển Đại đa số các hạt trầm tích biển lục địa có kích cỡ hạt lớn và thành phần cấu tạo chủ yếu là từ hợp chất của Al - Silicats hoặc đất đá Nhìn chung trầm tích biển lục địa... ra từ các dòng sông do sự tác động bào mòn của mưa, gió lên bề mặt lớp vỏ trái đất Tuy chỉ bao phủ khoảng 25% diện tích bề mặt đáy biển nhưng trầm tích lục địa chiếm hơn 90% thể tích của tất cả các loại trầm tích biển khác gộp lại Dựa trên vùng hoạt động của thủy triều và sóng biển trầm tích biển lục địa được chia làm hai loại là trầm tích vùng duyên hải và trầm tích thềm lục địa Trầm tích vùng duyên... lắng đọng địa chất (Igeo), hệ số nhiễm bẩn (Cf), hệ số lắng đọng sinh học (BAF), 22 Khóa luận tốt nghiệp đánh giá hệ sinh thái thông qua kim loại nặng độc, v.v Trong khuôn khổ khóa luận này tác giả sử dụng hai phương pháp bổ trợ để đánh giá mức độ ô nhiểm của hàm lượng các nguyên tố trong phân tích mẫu trầm tích đó là: a) Hệ số làm giàu EFx: hệ số làm giàu EFx dùng để đánh giá mức độ phì nhiêu của một... dụng 210 Pb, nghiên cứu trầm tích để phục vụ công tác dò tìm khoáng sản hoặc dầu mỏ dưới lòng biển, đánh giá chất lượng hệ sinh thái trong vùng biển, xác định cấu trúc địa tầng, v.v… Trong khuôn khổ khóa luận này tác giả chủ yếu đề cập tới nghiên cứu về đối tượng trầm tích ở một số địa điểm ven bờ biển thuộc hai tỉnh Bạc Liêu và Cà Mau nhằm mục đích chính để đánh giá mức độ ô nhiễm của các nguyên tố,... thang đo Igeo người ta có thể đánh giá được mức độ nhiểm bẩn của từng nguyên tố trong mẫu trầm tích từ đó đánh giá mức độ ảnh hưởng của chúng lên môi trường tự nhiên [9] 24 Khóa luận tốt nghiệp Chương 2 THỰC NGHIỆM 2.1 Quá trình chuẩn bị mẫu phân tích, mẫu chuẩn và lá dò a) Bản đồ khu vực lấy mẫu: Hình 2.1 Bản đồ khu vực lấy mẫu trầm tích biển - Core GH01: cách bờ biển huyện Đông Hải, tỉnh Bạc Liêu 120m,... chất trong trầm tích Về mặt cấu tạo hóa học và khoáng chất, thành phần hóa học hiện diện trong trầm tích phụ thuộc chủ yếu vào nguồn gốc hình thành và đặc tính của từng vùng biển khác nhau Theo đó thành phần cấu trúc hóa học và khoáng chất của trầm tích phụ thuộc vào bốn nhóm trầm tích sau: Thành phần trầm tích có nguồn gốc lục địa, thành phần trầm tích có nguồn gốc sinh vật, thành phần trầm tích có nguồn... hoàn thiện [1] 1.2 Giới thiệu về trầm tích biển Trong tự nhiên trầm tích biển là môi trường sống của các loài thủy sinh học, nguồn hấp thụ dinh dưỡng của các loài thực vật biển, mỗi sự tác động lên môi trường biển đều có thể được biểu hiện thông qua sự thay đổi về thành phần tính chất của trầm tích, rõ nhất là sự thay đổi của hàm lượng của các nguyên tố chứa trong trầm tích Tùy thuộc vào mục đích nghiên . BÌNH LUẬN 30 3.1. Kết quả phân tích hàm lượng 30 2 Khóa luận tốt nghiệp 3.2. Đánh giá phương pháp phân tích 35 3.3. Đánh giá mức độ ô nhiễm của các nguyên tố trong mẫu trầm tích biển. dõi đánh giá các loại ô nhiễm biển thông qua khảo sát đánh giá chất lượng trầm tích với mục đích xác định hiện trạng và xu thế diễn biến chất lượng môi trường biển, nguyên nhân và mức độ ô nhiễm, . nhân chính gây nên sự ô nhiễm lên trầm tích biển. 1.2.1. Khái niệm và nguồn gốc hình thành trầm tích biển Trầm tích biển là một dạng vật chất không hòa tan trong nước biển chủ yếu là các hạt