Bước đầu xây dựng quy trình phân tích tỷ số đồng vị δ13CDIC trong mẫu nước ngầm trên khối phổ kế tỷ số đồng vị

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI KHOA MÔI TRƯỜNG BÙI THỊ HƯƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BƯỚC ĐẦU XÂY DỰNG QUY TRÌNH PHÂN TÍCH TỶ SỐ ĐỒNG VỊ δ 13 C DIC TRONG MẪU NƯỚC NGẦM TRÊN KH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

KHOA MÔI TRƯỜNG

BÙI THỊ HƯƠNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

BƯỚC ĐẦU XÂY DỰNG QUY TRÌNH PHÂN TÍCH

TỶ SỐ ĐỒNG VỊ δ 13 C DIC TRONG MẪU NƯỚC NGẦM TRÊN KHỐI PHỔ KẾ TỶ SỐ ĐỒNG VỊ EA-IRMS

Hà Nội, 2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

KHOA MÔI TRƯỜNG

BÙI THỊ HƯƠNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

BƯỚC ĐẦU XÂY DỰNG QUY TRÌNH PHÂN TÍCH

TỶ SỐ ĐỒNG VỊ δ 13 C DIC TRONG MẪU NƯỚC NGẦM TRÊN KHỐI PHỔ KẾ TỶ SỐ ĐỒNG VỊ EA-IRMS

Hà Nội, 2015 NGƯỜI HƯỚNG DẪN : TS MAI VĂN TIẾN

ThS LÊ THU THỦY

LỜI CẢM ƠN

Đồ án tốt nghiệp được hoàn thành tại khoa Môi trường, trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Mai Văn Tiến, cùng sự giúp đỡ của ThS Lê Thu Thủy Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Ban giám hiệu, Khoa Môi trường và đặc biệt là lời cảm ơn tới giáo viên hướng dẫn - thầy Mai Văn Tiến và cô Lê Thu Thủy đã giúp đỡ em trong quá trình học tập và nghiên cứu

Em xin gửi lời biết ơn chân thành tới Ban lãnh đạo Viện Khoa học và

Kỹ thuật Hạt nhân và tập thể Phòng thí nghiệm Thủy văn Đồng vị đã tạo môi trường học tập, làm việc và nghiên cứu cho em trong suốt thời gian qua

Em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến ThS Nguyễn Thị Hồng Thịnh đã tạo điều kiện cho em được học tập và tham gia vào đề tài nghiên cứu để có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

Cuối cùng, em xin ghi nhớ công ơn của các thầy cô giáo, gia đình, người thân, bạn bè đã luôn ủng hộ, động viên em để em có được thành quả như ngày hôm nay

THUẬT NGỮ VÀ ĐỊNH NGHĨA

THUẬT

Carbon

Carbon là nguyên tố hóa học có ký hiệu là C và số nguyên

tử bằng 6 trong bảng Hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học Carbon là một nguyên tố phi kim có hóa trị 4 phổ biến

Thủy văn

đồng vị

Tên tiếng anh là “Isotope Hydrology”, là lĩnh vực khoa học thủy văn sử dụng các đồng vị của nước và các đồng vị của các khoáng chất tan trong nước để ước tính thời gian lưu trung bình của tầng chứa nước cũng như để nghiên cứu bản chất của nước dưới đất và sự vận động của nước trong chu trình thủy văn

Đồng vị

Đồng vị là các dạng của cùng nguyên tố hóa học có cùng

số proton trong hạt nhân nguyên tử nhưng có số khối khác nhau vì có chứa số neutron khác nhau

Tỷ số đồng

vị 13 C/ 12 C

(δ 13 C)

Là tỷ số giữa đồng vị 13C/12C trong mẫu (sample) so với tỷ

số chuẩn (standard) và được tính như sau:

tan 12 13 12 13

−

dard s

sample

C C C

C

)*1000

(giá trị δ13C không có thứ nguyên)

BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU

DIC Carbon vô cơ hòa tan

DIW De-ionized water (Nước khử ion)

EA-IRMS Khối phổ kế tỷ số đồng vị

IAEA Cơ quan Năng lượng nguyên tử Quốc tế

NBS Ủy ban chuẩn quốc gia Mỹ

PDB Pee Dee Belemnite : Mẫu chuẩn nguyên liệu hóa thạch

QA/QC Đảm bảo chất lượng và kiểm tra chất lượng

VPDB Chất chuẩn có tên Vienna Pee Dee Belemnite

Viện

KH&KTHN

Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân

δ13C Biểu thức delta chỉ tỷ số đồng vị carbon (13C/12C)

δ13CDIC Biểu thức delta chỉ tỷ số đồng vị carbon (13C/12C) vô cơ hòa tan

δ13CCO2 ref Biểu thức delta chỉ tỷ số đồng vị carbon (13C/12C) của khí chuẩn

CO2 tinh khiết

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

THUẬT NGỮ VÀ ĐỊNH NGHĨA

BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU 1

1 Nhu cầu và lý do thực hiện đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2

4 Đối tượng, phạm vi thực hiện 2

5 Tóm tắt các nội dung nghiên cứu 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4

1.1 Tổng quan phương pháp đồng vị δ13C 4

1.1.1.Giới thiệu chung về carbon vô cơ hòa tan 4

1.1.2.Đồng vị bền carbon và tỷ số đồng vị bền δ13C 6

1.2 Tình hình sử dụng tỷ số đồng vị δ13C để nghiên cứu các bài toán về môi trường 8

1.3 Giới thiệu chung về thiết bị đo tỷ số đồng vị δ13C 11

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 17

2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 17

2.1.1.Đối tượng nghiên cứu 17

2.1.2.Phạm vi nghiên cứu 17

2.2 Phương pháp nghiên cứu 18

2.3 Quy trình xử lý mẫu phân tích δ13CDIC trong mẫu nước ngầm 18

2.3.1.Hóa chất sử dụng: 18

2.3.2. Lựa chọn mẫu 19

2.3.3. Chuẩn độ alkalinity (độ kiềm) 19

2.3.4. Kết tủa carbon vô cơ hòa tan 21

2.3.5.Cân, gói mẫu cho phân tích trên khối EA-IRMS 22

2.4 Phân tích mẫu trên hệ khối phổ kế tỷ số đồng vị EA-IRMS 23

2.4.1.Thiết bị 23

2.4.2.Hóa chất sử dụng trong nghiên cứu 23

2.5 Đánh giá độ lặp của mẫu trong phân tích 23

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 25

3.1 Kết quả xử lý mẫu nước 25

3.1.1.Kết quả khối lượng kết tủa trong các mẫu giả 25

3.1.2.Kết quả chuẩn độ alkalinity mẫu nước ngầm 26

3.1.3.Kết quả kết tủa BaCO3 trong mẫu nước ngầm 27

3.2 Kết quả phân tích trên khối phổ kế tỷ số đồng vị EA-IRMS 27

3.2.1.Chương trình phân tích 13C tối ưu của hệ EA-IRMS 27

3.2.2.Đường chuẩn tỷ số đồng vị δ13CV-PDB 29

3.2.3.Sắc đồ phân tích mẫu chuẩn và mẫu thực 30

3.2.4.Kết quả kiểm tra độ lặp lại và độ chính xác của quy trình 31

3.2.5 Kết quả tỷ số đồng vị δ13CDIC và các thông số hiện trường của nước ngầm và mẫu giả 32

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 35

TÀI LIỆU THAM KHẢO 36

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Giá trị biến thiên tỷ lệ 13C/12C (δ13C) của các thành phần khác nhau

trong môi trường 7

Bảng 2.1 Độ sâu của mẫu nước ngầm tại xã Vân Phúc 17

Bảng 3.1 Kết quả khối lượng kết tủa trong các mẫu giả 25

Bảng 3.2 Kết quả chuẩn độ alkalinity mẫu nước ngầm 26

Bảng 3.3 Kết quả kết tủa BaCO3 trong mẫu nước ngầm 27

Bảng 3.4 Điều kiện đốt mẫu và tách CO2 trên khối EA 28

Bảng 3.5 Điều kiện điện từ trường tối ưu cho khối IRMS 28

Bảng 3.6 Kết quả phân tích các mẫu chuẩn đối chiếu 29

Bảng 3.7 Kết quả kiểm tra độ lặp lại và độ chính xác của mẫu chuẩn 31

Bảng 3.8 Kết quả phân tích mẫu giả 32

Bảng 3.9 Kết quả δ13CDIC mẫu nước ngầm 32

Bảng 3.10 Kết quả tổng hợp mẫu nước ngầm xã Vân Phúc 33

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hệ khối phổ kế tỷ số đồng vị 13

Hình 1.2 Quá trình đốt mẫu trong hệ EA 15

Hình 3.1 Đường chuẩn tương quan giá trị δ13CCO2 ref 30

Hình 3.2 Sắc đồ phân tích mẫu chuẩn IAEA-CO 8 30

Hình 3.3 Sắc đồ phân tích mẫu môi trường 31

1

MỞ ĐẦU

1 Nhu cầu và lý do thực hiện đề tài

Mật độ dân số ngày càng tăng dẫn tới nhu cầu khai thác và sử dụng nước ngầm ngày càng nhiều Nhiều nơi, nguồn nước ngầm đang phải đối mặt với vấn đề ô nhiễm bởi các sản phẩm thải ra trong quá trình sản xuất công, nông nghiệp và các quá trình giải phóng các chất gây ô nhiễm có trong tự nhiên hoặc do cấu tạo địa chất đang làm suy giảm trữ lượng đồng thời bị ô nhiễm nghiêm trọng

Kỹ thuật đồng vị được coi là tiên tiến và đã được áp dụng rộng rãi trong vài thập niên gần đây để giải quyết các bài toán liên quan đến nguồn gốc nước ngầm cũng như nguồn gốc nhiễm bẩn nước ngầm Kỹ thuật phân tích tỷ số đồng vị có độ chính xác cao, các phân tích được tiến hành theo phương pháp

so sánh tỷ số đồng vị của mẫu và mẫu chuẩn trong cùng điều kiện phân tích

Do có độ chính xác cao nên có thể phân biệt được những sai khác rất nhỏ, ví

dụ như hiện tượng phân tách đồng vị của các nguyên tố carbon, nitơ, oxy,… xảy ra đồng thời với các quá trình biến đổi sinh hóa học trong tự nhiên Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân là một đơn vị có tiềm năng về thiết bị cũng như nhân lực cán bộ khoa học có thể hợp tác với các đơn vị nghiên cứu triển khai khác trong lĩnh vực môi trường, địa chất thủy văn, tham gia đóng góp phương pháp luận trong lĩnh vực nghiên cứu ô nhiễm môi trường, nguồn gốc gây ô nhiễm trong môi trường bằng kỹ thuật đồng vị bền

Do vậy, “Bước đầu xây dựng quy trình phân tích tỷ số đồng vị

δ13 C DIC trong mẫu nước ngầm trên khối phổ kế tỷ số đồng vị” có ý nghĩa

khoa học và thực tế Hơn nữa, ở nước ta, trên thực tế việc ứng dụng phương pháp này vẫn còn hạn chế Do vậy, bước đầu xây dựng nền tảng cho phương

2

pháp ứng dụng kỹ thuật đồng vị của các đồng vị khác nói chung và carbon nói riêng trong nghiên cứu các vấn đề về môi trường là việc làm cần thiết

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Bước đầu xây dựng được quy trình phân tích tỷ số đồng vị δ13CDIC

trong mẫu nước ngầm trên khối phổ kế tỷ số đồng vị đảm bảo độ chính xác

và độ tin cậy

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Kết quả của đề tài giúp cho các nhà nghiên cứu sử dụng quy trình để phân tích δ13C trong các mẫu nước phục vụ nghiên cứu nguồn gốc ô nhiễm môi trường

Đưa vào ứng dụng một phương pháp phân tích hiện đại cho mẫu nước ngầm trên cơ sở kỹ thuật khối phổ kế tỷ số đồng vị EA-IRMS có độ ổn định tốt và độ tin cậy cao, có khả năng ứng dụng trong thực tế của Việt nam

4 Đối tượng, phạm vi thực hiện

− Đối tượng thực hiện: Mẫu nước ngầm tại xã Vân Phúc, huyện Phúc Thọ, thành phố Hà Nội

− Phạm vi thực hiện:

+ Về không gian: Phòng Thủy văn đồng vị - Trung tâm Kỹ thuật Hạt nhân - Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân

+ Về thời gian: Thực hiện chuyên đề từ ngày 19 tháng 01 năm 2015 đến ngày 06 tháng 06 năm 2015

5 Tóm tắt các nội dung nghiên cứu

− Tổng quan tài liệu: Tổng quan về phương pháp đồng vị δ13C và tình hình sử dụng tỷ số đồng vị δ13C để nghiên cứu xác định nguồn gốc ô nhiễm môi trường

3

− Xây dựng quy trình phân tích

+ Quy trình xử lý mẫu phân tích δ13CDIC trong mẫu nước ngầm: Kết tủa, lọc rửa kết tủa và làm khô mẫu nước

+ Thiết lập chương trình xác định δ13CDIC trên thiết bị khối phổ kế tỷ

số đồng vị tại phòng thí nghiệm Thủy văn Đồng vị - Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân

− Đánh giá kết quả