Sử dụng điện di mao quản xách tay xác định đồng thời thành phần các cation và anion trong nước mưa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Đỗ Thị Kim Thoa SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐIỆN DI MAO QUẢN XÁCH TAY XÁC ĐỊNH ĐỒNG THỜI THÀNH PHẦN CÁC CATION VÀ ANION TRONG NƯỚC MƯA Chuyên ngành: Hóa Môi trường Mã số: 60440120 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - Năm 2015 Công trình hoàn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Người hướng dẫn khoa học: TS DƯƠNG HỒNG ANH Phản biện 1: PGS TS Từ Bình Minh Phản biện 2: TS Vũ Đức Lợi Luận văn bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn thạc sĩ họp tại: TT CETASD, Trường ĐH Khoa học Tự nhiên vào hồi 14giờ 30 ngày 30 tháng 12 năm 2015 Có thể tìm hiểu luận văn Thư viện Trường ĐH Khoa học Tự nhiên MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Nước mưa thành phần chủ yếu vòng tuần hoàn nước Một vấn đề môi trường quan tâm tượng mưa axit Mưa axit tượng mưa mà nước mưa có độ pH < 5,6 Nguyên nhân mưa axit có mặt khí SO2, NOx , HCl … thành phần nước mưa Mưa axit gây thiệt hại lớn kinh tế công trình văn hóa Vì cần phải kiểm tra chặt chẽ pH thành phần hóa học nước mưa tìm nguồn gốc gây ô nhiễm Góp phần quan trọng việc đánh giá chất lượng không khí nói riêng môi trường nói chung Hiện phương pháp tiêu chuẩn, điện di mao quản (CE) phương pháp phân tích nhiều tiềm xác định đồng thời thành phần cation anion nước mưa với chi phí thấp vận hành đơn giản, dặc biệt phân tích ion mẫu nước môi trường trường Vì lí trên, khuôn khổ luận văn này, chọn đề tài “Sử dụng điện di mao quản xách tay xác định đồng thời thành phần cation anion nước mưa” Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: phân tích anion cation Cl -, NO3-, NO2-, SO42- NH4+, K+, Na+, Ca2+, Mg2+ nước mưa - Phạm vi nghiên cứu: 22 mẫu nước mưa lấy vào T.5/2015 12 trạm quan trắc khu vực miền Bắc (Thanh hóa, Vinh, Cúc phương, Hải dương, Môi tường Hà nội, Ninh bình, Thủy văn Môi trường Hà nội, Bắc giang, Bãi cháy, Phù liễu, Thái nguyên, Việt trì) để phân tích thành phần cation anion Nhiệm vụ nghiên cứu đề tài - Phân tích thành phần hóa học: anion, cation (Cl -, NO3-, NO2-, SO42- NH4+, K+, Na+, Ca2+, Mg2+ ) mẫu nước mưa sử dụng thiết bị điện di mao quản xách tay loại kênh - So sánh kết phân tích mẫu nước mưa với phương pháp sắc ký ion tiêu chuẩn PTN Phân tích Môi trường Trung tâm mạng lưới KTTVvà MT Phòng thí nghiệm VSL Trung tâm CETASD để khẳng định khả sử dụng phương pháp điện di mao quản xác định thành phần anion, cation nước mưa - Đánh giá kết thu cân ion, yếu tố liên quan tới độ axit, khả trung hòa nước mưa, nguồn gốc ion nước mưa Bố cục luận văn Luận văn gồm 49 trang, không kể phần Phụ lục Tài liệu tham khảo, có 11 bảng 10 hình 15 tài liệu tham khảo Kết cấu luận văn gồm: Mở đầu (2 trang), Chương Tổng quan (16 trang), Chương Thực nghiêm (7 trang), Chương Kết thảo luận (25 trang), Kết luận (1 trang) CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Lắng đọng khí pH nước mưa [3,4] 1.1.1 Lắng đọng khí Các chất vết khí có nồng độ biến đổi theo thời gian không gian Thời gian lưu chúng vài giờ, môt vài tuần vài năm Quá trình loại bỏ chất vết khí hay nói cách khác trình chúng chuyển từ bầu khí đến bề mặt trái đất gọi lắng đọng khí Sự lắng đọng chia làm hai loại: lắng đọng khô lắng đọng ướt − Lắng đọng khô: Là chuyển dịch chất vết khí hạt thời tiết khô tới bề mặt vật hấp thụ (đất, hệ thực vật bề mặt nước) − Lắng đọng ướt: Là trình vận chuyển, chuyển hóa hóa học thành phần khí hạt tới bề mặt trái đất hình thức khác mưa, tuyết, sương mù 1.1.2 Hiện tượng lắng đọng axit Độ pH nước mưa 5,6 nhiệt độ 10 o C giá trị xem giá trị lý tưởng, tính cho nước nguyên chất cân với nồng độ CO không khí Giá trị pH nước mưa tự nhiên dao động khoảng – coi mức độ bình thường Nhưng người trình cải tạo tự nhiên hoạt động có tác động vào môi trường gây ổn định chu kỳ vật chất, làm thay đổi thành phần hóa học đất, nước đặc biệt khí Nồng độ chất khí NOx, SO2, NH3, hợp chất hữu (CH3COO-, HCOO- …), bụi khí quyển… vượt xa giá trị tự nhiên, làm cho pH lắng đọng khí thay đổi (lớn nhỏ 5), gây hậu nghiêm trọng phức tạp Nước mưa có pH < ghi nhận nhiều vùng giới Tây Âu, Bắc Mỹ, Trung Quốc, Nhật Bản … gây thiệt hại lớn kinh tế công trình văn hóa 1.2 Các nguồn gốc gây mưa axit Sự có mặt SO2 NOx với hàm lượng lớn khí (vượt giới hạn cho phép) coi nguyên nhân gây mưa axit Các axit H2SO4, HNO3 sinh khí từ tiền chất SO NOx nguyên nhân làm giảm pH nước mưa Phần lớn khí SO2 NOx người phát thải vào không khí tạo trình đốt nhiên liệu Chủ yếu dầu thô, xăng, than đá, khí đốt sản phẩm dầu mỏ khác Một nguồn đóng góp vào việc thải NOx ống xả phương tiện giao thông NO2 tăng lên từ nhiều hoạt động người coi chất gây ô nhiễm 1.3 Ô nhiễm môi trường không khí lắng đọng axit Việt Nam [1,4] Cũng nước phát triển khác giới Việt Nam đường tiến tới đất nước công nghiệp hóa đại hóa Trong 10 năm trở lại hàng loạt nhà máy xí nghiệp nâng cấp mở rộng, nhiều nhà máy xây dựng với quy mô lớn Thêm vào vấn đề gia tăng dân số phát triển không ngừng khu đô thị chắn gây ô nhiễm môi trường có ô nhiễm không khí nước không kiểm soát chặt chẽ Mặt khác mặt địa lý Việt Nam nằm vùng Châu Á nơi mà coi khu vực phát triển nhanh thề giới, đồng thời lại có đường biên giới tiếp giáp với miền nam Trung Quốc, vùng tiêu thụ than lớn khu vực, nên việc kiểm soát chất lượng không khí cần thiết phải thực thường xuyên mang tính chất hệ thống Các số liệu thành phần hóa học nước mưa có ý nghĩa khoa học to lớn, giúp đánh giá mức độ ô nhiễm môi trường tìm nguồn gốc gây ô nhiễm Các số liệu pH nước mưa vùng phía Bắc năm 2013, 2014 thu thập từ phòng Tài nguyên môi trường – Trung tâm mạng lưới Quốc gia – Trung tâm khí tượng thủy văn Kết đo độ pH nước mưa hàng tháng năm tóm tắt bảng (1.1) Bảng 1.2 Phân loại trận mưa theo đặc tính pH (%) Khu vực Trạm Axit pH pH > 5,6-6 27,3 72,7 58,3 28,3 16,7 64,7 50 50 50 50 8,4 91,6 33,3 66,7 Năm 2014 Trung Axit tính Kiềm pH pH > pH > 0.05 cho thấy kết thu từ hai phương pháp : Paired T for Cl-CE - Cl-IC N Mean StDev SE Mean 16 Cl-CE 22 1.977 1.264 0.269 Cl-IC 22 2.000 1.258 0.268 Difference 22 -0.0223 0.1892 0.0403 95% CI for mean difference: (-0.1062, 0.0616) T-Test of mean difference = (vs ≠ 0): T-Value = -0.55 P-Value = 0.586 Paired T for Na-CE - Na-IC N Mean StDev SE Mean Na-CE 18 1.273 1.148 0.271 Na-IC 18 1.375 1.328 0.313 Difference 18 -0.1012 0.2395 0.0565 95% CI for mean difference: (-0.2203, 0.0179) T-Test of mean difference = (vs ≠ 0): T-Value = -1.79 P-Value = 0.091 3.2 Đánh giá thành phần ion nước mưa Trên sở thành phần anion, cation 22 mẫu nước mưa bảng 3.4 tính giá trị số cân ion bảng 3.5 Chỉ số cân ion mẫu nước mưa có giá trị dương, 13/22 mẫu cho số với giá trị Cl- > Na+ > Mg2+> NH4+ > NO3- > HCO3- > NO2- >K+ Năm ion có đóng góp từ 23% tới 9% Ca2+, SO42-, Cl- , Na+, Mg2+ tổng chúng chiếm tới 77,4% tổng ion nước mưa Trong số ion này, có sunfat có nguồn gốc từ hoạt động đốt than nhiên liệu hóa thạch Hình 3.4 Phần trăm đóng góp ion thành phần nước mưa 3.3 Quá trình axit hóa trung hòa nước mưa Người ta thường sử dụng hệ số FA = [H+]/([SO42- ]+ [NO3-]) biểu thị phần axit phát sinh axit mạnh nói không bị trung hòa thành phần bazơ, hệ số tính với mẫu phân tích (dựa giá trị 20 mean nồng độ ion) 0,02, chứng tỏ 98% axit nước mưa trung hòa Khả trung hòa nước mưa dạng bazơ tính theo phương trình: NFx = [X]/ [SO42- ]+ [NO3-] (nồng độ tính theo đương lượng) Các giá trị NFCa, NFMg, NFNH4 tính 0,94, 0,38 0,23 Ca2+ thành phần quan trọng trình trung hòa mưa axit khu vực nghiên cứu 3.4 Phân tích tương quan thành phần nước mưa Trên sở số liệu thành phần cụ thể mẫu nước mưa, ta xây dựng tương quan cặp thành phần theo chuẩn Pearson Kết xây dựng tương quan cho thấy, pH tương quan với thành phần ion khác nước mưa (p < 0,01 tất trường hợp) Tương quan đồng biến tốt SO42- với NH4+ NO3- (hệ số tương quan 0,785 0,781 p Na+ > Mg2+> NH4+ >K+ (giá trị median: 4,1 µEqL-1), anion SO42- (giá trị median: 129,1 µEqL-1) >Cl- > NO3-> NO2- (giá trị median: 9,2 µEqL-1) Năm ion: Ca2+, SO42-, Cl- , Na+, Mg2+ ion có đóng góp vào thành phần nước mưa (chiếm 77,4 % tổng ion) − Ca2+, Mg2+ NH4+ thành phần quan trọng trình trung hòa mưa axit, tại, thành phần bazơ hoàn toàn có khả trung hòa mưa axit khu vực nghiên cứu − Xác định hệ số làm giàu từ biển, từ đất cho thấy Ca 2+ có nguồn gốc từ đất đá, Cl- , Na+ Mg2+ có nguồn gốc từ biển, SO 42- NO3- xuất nước mưa chủ yếu từ hoạt động nhân tạo − Các kết phân tích đối chứng với phương pháp phân tích tiêu chuẩn sắc ký ion so sánh cho thấy phương pháp điện di mao quản với detector độ dẫn không tiếp xúc, sử dụng thiết bị tự động hai kênh tự chế tạo nói đủ tin cậy cho mục tiêu phân tích, quan trắc thành phần hóa học nước mưa trường 24 [...]... nhóm cation và anion với độ phân giải các tín hiệu trong từng nhóm tốt Hình 3.3 Điện di đồ phân tích mẫu nước mưa M3-19 sử dụng hệ thiết bị điện di mao quản 2 kênh 13 Thành phần anion, cation cơ bản và pH của 22 mẫu nước mưa được chỉ ra trong các bảng 3.2a, 3.2b, 3.3a và 3.3b Để khẳng định khả năng sử dụng phương pháp điện di mao quản xác định các thành phần anion, cation cơ bản trong nước mưa, các. ..Bảng sau đây trình bày giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) của phương pháp phân tích trên với các cation và anion trong nước mưa Bảng 2.2 LOD và LOQ của phương pháp điện di mao quản sử dụng điện cực đo độ dẫn không tiếp xúc cho phân tích các cation và anion trong nước mưa Anion xác LOD LOQ Cation xác LOD LOQ định mg/L mg/L định mg/L mg/L + Clorua (Cl ) 0,05 0,15 Amoni (NH4 )... tố vào thành phần của nước mưa được tính theo công thức sau: (biển) % SSF= 100x [X/Na+]biển/[X/Na+ ]nước mưa (đất) %CF= 100x [X/Na+]đất/[X/Na+ ]nước mưa (nhân tạo) %AF= 100 - % SSF - %CF CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết quả xác định thành phần nước mưa lấy tại các trạm quan trắc Các ion trong nước mưa được định tính trong từng nhóm anion hoặc cation theo thời gian lưu Phương trình đường chuẩn để xác. .. nồng độ cation luôn cao hơn tổng nồng độ anion ( cation= 257,1 ±231,5 µEqL-1 và anion= 237,5 ±221,6 µEqL-1) cho thấy trong nước mưa có thể có các anion vô cơ khác như F –, PO43– và các anion hữu cơ như format (HCOO–) hay axetat (CH3COO–) nhưng chưa được đo (chiếm khoảng 3,2%- xem hình 3.7) 17 Bảng 3.4 Kết quả đo pH và thành phần các anion, cation cơ bản trong nước mưa Mẫu nước mưa Nồng độ các anion cơ... Phương trình đường chuẩn để xác định nồng độ từng ion trong mẫu Bảng dưới đây là thời gian lưu, phương trình hồi quy xác định được khi phân tích hỗn hợp chuẩn Bảng 3.1 LOD và LOQ, t (thời gian lưu), R2 của phương pháp điện di mao quản sử dụng điện cực đo độ dẫn không tiếp xúc cho phân tích các cation và anion trong nước mưa Anion xác định Khoảng nd đường chuẩn mg/l Thời LOD LOQ gian mg/L mg/L lưu (s)... nhất trong quá trình trung hòa mưa axit ở khu vực nghiên cứu 3.4 Phân tích tương quan các thành phần trong nước mưa Trên cơ sở số liệu thành phần cụ thể của các mẫu nước mưa, ta có thể xây dựng các tương quan các cặp thành phần theo chuẩn Pearson Kết quả xây dựng tương quan cho thấy, pH không có tương quan với các thành phần ion khác của nước mưa (p < 0,01 trong tất cả các trường hợp) Tương quan đồng. .. lệ thành phần đặc trưng cho tính axit của nước mưa, khả năng trung hòa axit, yếu tố làm giàu nước mưa, sự đóng góp từ các nguồn gốc khác nhau cho các thành phần của nước mưa được xác định trên cơ sở các kết quả phân tích để đưa ra các đánh giá sơ bộ về đặc điểm thành phần nước mưa lấy tại các trạm quan trắc khu vực miền Bắc Người ta thường sử dụng hệ số FA biểu thị phần axit phát sinh do các axit mạnh... KẾT LUẬN Trong khuôn khổ luận văn này, chúng tôi đã thực hiện việc nghiên cứu đánh giá sơ bộ thành phần nước mưa tại các trạm quan trắc miền Bắc Việt Nam Các kết quả thu được cụ thể như sau: − 22 mẫu nước mưa đã được lấy tại 12 trạm quan trắc khu vực miền Bắc vào tháng 5 năm 2015 Việc phân tích thành phần các ion trong nước mưa đã được thực hiện bằng thiết bị điện di mao quản tự động, xách tay loại... SO42-, Cl- , Na+, Mg2+ và tổng của chúng chiếm tới 77,4% tổng ion trong nước mưa Trong số các ion này, chỉ có sunfat có nguồn gốc chính từ hoạt động đốt than và nhiên liệu hóa thạch Hình 3.4 Phần trăm đóng góp của các ion trong thành phần nước mưa 3.3 Quá trình axit hóa và trung hòa nước mưa Người ta thường sử dụng hệ số FA = [H+]/([SO42- ]+ [NO3-]) biểu thị phần axit phát sinh do các axit mạnh nói trên... cho các mẫu đã phân tích để xác định tính hợp lý của các kết quả phân tích, dự đoán ion còn thiếu cho cân bằng Chỉ số này được xác định dựa trên công thức sau: (Tổng nồng độ cation – Tổng nồng độ anion) Chỉ số cân bằng ion = x 100% (Tổng nồng độ cation + Tổng nồng độ anion) (nồng độ tính theo đương lượng) 2.3.3.3 Đánh giá các thành phần nước mưa Các thành phần và tỷ lệ thành