Arsenic – Nguồn nước và sức khỏe người sử dụng

Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh Khoa Môi Trường BỘ MÔN HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Đề tài 4: Arsenic – Nguồn nước sức khỏe người sử dụng GVHD: Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh Nhóm thực hiện: Nhóm Lớp: MO1304 Thành viên 1.Nguyễn Hồng Yến Nhi 2.Võ Nhật My 3.Trần Thị Ngọc Anh 4.Nguyễn Hải Đăng 5.Lê Thị Ly Na MSSV 91302783 91302420 91300147 91300842 91302428 Mục lục I.Khái quát asen 1.Khái niệm tính chất vật lý 2.Tính chất hóa học 3.Ứng dụng II Asen nguồn nước .6 1.Các đường As xâm nhập vào nước .6 a.Nguồn gốc tự nhiên b.Hoạt động nhân sinh c.Các trình sinh địa hóa 2.Cơ chế xâm nhập As vào nước 3.Dạng tồn asen nước 4.Tính hình chung giới vấn đề ô nhiễm asen 5.Ô nhiễm asen Việt Nam .8 6.Phương pháp loại bỏ asen khỏi nguồn nước III.Asen sức khỏe người 12 1.Những đường xâm nhập asen vào thể .12 2.Tác hại asen đến sức khỏe người 12 a.Mức độ độc hại 12 b.Hậu việc nhiễm độc asen 13 c.Nhiễm độc mãn tính 13 d.Nhiễm độc cấp tính 14 3.Cơ chế gây độc 14 I.Khái quát asen: Khái niệm tính chất vật lý: Asen (Arsenic), có kí hiệu As, gọi thạch tín Được Albertus Magnus (người Đức) thức viết vào năm 1250 Nguyên tố số 33 Khối lượng nguyên tử 74,92 Nhiệt độ nóng chảy: 816.8 °C Vị trí bảng tuần hoàn đề cập bảng mé bên phải Cấu hình e [Ar]4s2 3d10 4p3 ( Nhóm VA, chu kì 4, phân lớp p ) Asen nguyên tố tìm thấy nhiều dạng thù hình rắn: • Dạng màu vàng mềm, dẻo sáp không ổn định, làm cho phân tử dạng tứ diện As4 tương tự phân tử phốtpho trắng • Các dạng màu đen, xám hay 'kim loại' có cấu trúc kết tinh thành lớp với liên kết trải rộng khắp tinh thể Chúng chất bán dẫn cứng với ánh kim • Tỷ trọng riêng dạng màu vàng 1,97 g/cm³; dạng 'asen xám' hình hộp mặt thoi nặng nhiều với tỷ trọng riêng 5,73 g/cm³; dạng kim khác có tỷ trọng tương tự 2.Tính chất hóa học: Trạng thái ôxi hóa phổ biến -3 (asenua: thông thường hợp chất liên kim loại tương tự hợp kim), +3 (asenat (III) hay asenit phần lớn hợp chất asen hữu cơ), +5 (asenat (V): phần lớn hợp chất vô chứa ôxy asen ổn định) Asen dễ tự liên kết với nó, chẳng hạn tạo thành cặp As-As sulfua đỏ hoàng (α-As4S4) ion As43- vuông khoáng coban asenua có tên skutterudit Ở trạng thái ôxi hóa +3, tính chất hóa học lập thể asen chịu ảnh hưởng có mặt cặp electron không liên kết Asen tính chất hóa học giống với nguyên tố đứng photpho: • Asen tạo thành oxit kết tinh, không màu, không mùi As2O3 As2O5 chất hút ẩm dễ dàng hòa tan nước để tạo thành dung dịch có tính axít • Axit asenic (V), tương tự axít photphoric, axít yếu • Asen tạo thành hiđrua dạng khí không ổn định, arsin (AsH3) • Sự tương tự lớn đến mức asen thay phần cho phốtpho phản ứng hóa sinh học gây ngộ độc Tuy nhiên, liều thấp mức gây ngộ độc hợp chất asen hòa tan lại đóng vai trò chất kích thích phổ biến với liều nhỏ loại thuốc chữa bệnh cho người vào kỷ 18 Khi bị nung nóng không khí, bị oxi hóa để tạo trioxit asen; từ phản ứng có mùi mùi tỏi Mùi phát cách đập khoáng vật asenua asenopyrit búa Asen (và số hợp chất asen) thăng hoa bị nung nóng áp suất tiêu chuẩn, chuyển hóa trực tiếp thành dạng khí mà không chuyển qua trạng thái lỏng Trạng thái lỏng xuất áp suất 20 atm trở lên, điều giải thích điểm nóng chảy lại cao điểm sôi 3.Ứng dụng: Asenat hidro chì ứng dụng làm thuốc trừ sâu (Nhưng việc gây tồn thương não trực tiếp cho người phun thuốc) Asenat đồng sử dụng tác nhân tạo màu vào kỉ 19 Trioxit asen dùng làm thuốc điều trị ung thư, bệnh nhân mắc bệnh bạch cầu cấp tính tiền nhiễm myelin, bệnh vảy nến Asen thường có rau quả, thực phẩm, thể động vật người với nồng độ nhỏ Ở mức độ bình thường, nước tiểu chứa 0,005-0,04 mg As/L, tóc chứa 0,080,25 mg As/kg, móng tay, móng chân chứa 0,43-1,08 mg As/kg [16] Asen chất độc, độc gấp lần thuỷ ngân Asen tác động xấu đến hệ tuần hoàn, hệ thần kinh Nếu bị nhiễm độc từ từ, ngày ít, tuỳ theo mức độ bị nhiễm thể tạng người, xuất nhiều bệnh như: rụng tóc, buồn nôn, sút cân, ung thư, giảm trí nhớ Asen làm thay đổi cân hệ thống enzim thể, nên tác hại phụ nữ trẻ em lớn As2O3 màu trắng, dạng bột, tan nước, độc Khi uống phải lượng thạch tín (As2O3) nửa hạt ngô, người ta chết tức khắc Asen thành phần tự nhiên vỏ Trái Đất, khoảng -2mg As/kg Một số quặng chứa nhiều asen pyrit, manhezit, Trong quặng này, asen tồn dạng hợp chất với lưu huỳnh khó tan nước Đã thấy số mẫu quặng chứa asen cao 10 - 1000 mg As/kg II Asen nguồn nước: Các đường As xâm nhập vào nước: a Nguồn gốc tự nhiên: Trong tự nhiên asen có nhiều loại khoáng vật Realgar (As2S4), Orpoment (As2S3), Arsenolite (As2O3), Arsenopyrite( FeAsS) Trong nước asen thường gặp dạng arsenic arsenate (AsO33− , AsO43−) Các hợp chất asen methyl có môi trường chuyển hóa sinh học b Hoạt động nhân sinh: Việc khoan giếng nước không hợp lý khai thác mỏ làm cho asen tích tụ đất hòa tan vào nước ngầm Đốt nhiên liệu hóa thạch, đốt rác, nấu chảy quặng, luyện kim khai thác chế biến quặng quặng sulfur asenua, sản xuất sử dụng thuốc trừ sâu diệt cỏ, phân hóa học, vũ khí hóa học Trong nông nghiệp, sử dụng phân bón, thuốc bảo vệ thực vật chứa As, thúc đẩy As phân tán vào môi trường nước trầm tích c Các trình sinh địa hóa Sự phân bố rộng rãi asen bắt nguồn từ trình sinh địa hóa Điều có nghĩa nồng độ asen gia tăng xuống sâu tầng đất mạch nước ngầm Sự suy thoái nguồn nước ngầm làm asen chuyển sang dạng tan nước Hai trường hợp tích tụ asen cao là: - Tại khu vực vũng, vịnh kín miền khí hậu khô hạn đến bán khô hạn - Tại tầng nước ngầm có tính khử mạnh, thường gặp vùng chứa nhiều lắng cặn, phù sa vơi nồng độ sulphate thấp Các tầng lớp lắng cặn mỏng địa vực thấp, nơi có độ nghiêng thủy vực thấp, khu vực đặc trưng chứa nhiều asen mạch nước ngầm Các tầng nước ngầm có nồng độ asen cao thường độ sâu từ 20 – 120m Ở tầng ngầm, asen thường xuất nhiều hỗn hợp khoáng tạo đá Rất nhiều asen bị kết dính hỗn hợp khoáng pyrite lưu vực phù sa Cơ chế xâm nhập của asen vào nước: Asen xâm nhập vào nước trình hòa tan chất quặng mỏ, chất thải công nghiệp (nhất trình làm thủy tinh, đồ gốm, thuộc da, sản xuất thuốc nhuộm chất màu để pha sơn, chất bảo quản gỗ) lắng đọng không khí, oxi hóa khoáng sunfua khử khoáng oxi hydroxit giàu As Nhờ trình thủy địa hóa, sinh địa hóa, điều kiện địa chất, thủy văn mà asen xâm nhập vào môi trường nước Nếu nước đất oxi hợp chất arsenat khử thành arsenua có độc tính cao gấp lần arsenat Trong môi trường tầng đất giàu chất hữu sắt khả hấp thụ As tốt khiến tiềm ô nhiễm cao Dạng tồn asen nước: Trong nước arsen thường tồn chủ yếu dạng asenit, asenat, monometylasonic axit, hay dimetylasinic axit… có hàm lượng thấp, chủ yếu asen bị thuỷ phân lắng xuống bùn Trong nước chứa nhiều ôxy, arsen tồn dạng hoá trị 5.Trong nước chứa ôxy ,arsen tồn dạng arsenat (III) arsen kim loại Hàm lượng As nước đất phụ thuộc nhiều vào tính chất trạng thái môi trường địa hoá Dạng As tồn chủ yếu nước đất H 2AsO4-1 (trong môi trường pH axit đến gần trung tính), HAsO 4-2 (trong môi trường kiềm) Tình hình chung giới vấn đề ô nhiễm Asen Người ta ước tính khoảng 57 triệu người sử dụng nước uống nước ngầm có hàm lượng arsen cao tiêu chuẩn Tổ chức Y tế Thế giới 10 phần tỷ Nhiều quốc gia khu vực khác Đông Nam Á, Việt Nam, Campuchia, Tây Tạng, Trung Quốc, coi có điều kiện địa chất tương tự giúp cho trình tạo nước ngầm giàu arsen Miền bắc Hoa Kỳ, bao gồm phần thuộc Michigan, Wisconsin, Minnesota Dakota có hàm lượng arsen nước ngầm cao Theo số liệu Tổ chức Y tế giới ô nhiễm Asen nguồn nước, nồng độ Asen nước giếng khoan khu vực Nam Iowa Tây Missouri Mỹ dao động từ 0,034-0,490mg/l; Hungary, dao động từ 0,001- 0,174mg/l, trung bình 0,068 mg/l; khu vực Tây-Nam Phần Lan khoảng 0,017- 0,98mg/l; Mexico: từ 0,008- 0,624mg/l, có tới 50% số mẫu có nồng độ Asen >0,050mg/l Mức độ ô nhiễm Asen nước ngầm nước châu Á trầmtrọng hơn, nồng độ Arsen trung bình nguồn nước ngầm Tây Nam Đài Loan 0,671mg/l Ở Tây Bengal Ấn Độ nồng độ Asen trung bình nước giếng khoan quận dao động từ 0,193 đến 0,737 mg/l, có mẫu lên tới 3,700 mg/l Ô nhiễm Asen Việt Nam Tại Việt Nam, ô nhiễm arsen phát nhiều khu vực đồng sông Hồng: Hà Nội, Hưng Yên, Hà Tây, khu vực đồng sông Cửu Long: An Giang, Đồng Tháp… kiểu vùng có khả ô nhiễm arsen chủ yếu sau: - Vùng núi với đá biến đổi nhiệt dịch, quặng vàng, đa kim, sulfur…Nguồn ô nhiễm trình tự nhiên - Ở đồng nước ngầm, nguồn ô nhiễm asen trình tự nhiên (ôxy hóa khoáng vật sulfur khoáng vật chứa asen trầm tích, khử hydroxyt sắt chứa arsen ) hoạt động nhân sinh - Đới duyên hải nguồn ô nhiễm hoạt đông nhân sinh, đặc biệt sử dụng thuốc trừ sâu, diệt cỏ, vũ khí hóa học… Phương pháp loại bỏ As khỏi nguồn nước Nguyên tắc chung: Chuyển thành dạng As(V) để tạo thành hợp chất tan As(V) Ví dụ: FeAsO4, Mn3(AsO4)2, AlAsO4 Một số phương pháp loại bỏ asen:  Keo tụ - Kết tủa  Keo tụ hóa chất  Hấp phụ  Công nghệ lọc  Trao đổi Ion  Oxi hóa  Keo tụ - Kết tủa Người ta bơm nước ngầm từ giếng khoan, sau làm thoáng để ôxy hóa sắt, mangan, tạo hydroxyt sắt mangan kết tủa Asen (III) oxy hóa đồng thời thành As (V), có khả hấp phụ lên bề mặt keo tụ Hydroxyt Sắt hay Mangan tạo thành lắng xuống đáy bể, hay hấp phụ bị giữ lại lên bề mặt hạt cát bể lọc  Keo tụ hóa chất Phương pháp keo tụ đơn giản sử dụng vôi sống (CaO) vôi (Ca(OH)2) để khử Asen Hiệu suất đạt khoảng 40 - 70 % Có thể sử dụng để khử Asen kết hợp với làm mềm nước Tuy vậy, phương pháp khó cho phép đạt nồng độ Asen nước sau xử lý xuống tới 10 mg/l Một hạn chế phương pháp sử dụng vôi tạo lượng cặn lớn sau xử lý Ngoài dùng phương pháp keo tụ, kết tủa Sunfat nhôm hay Clorua sắt  Hấp phụ Hấp phụ nhôm hoạt hóa: Nhôm hoạt hóa sử dụng có hiệu để xử lý nước có hàm lượng chất rắn hòa tan cao Tuy nhiên, nước có hợp chất Selen, Florua, Clorua, Sunffat với hàm lượng cao, chúng cạnh tranh hấp phụ Nhôm hoạt hóa có tính lựa chọn cao As(V), lần xử lý giảm tới - 10 % khả hấp phụ Cần hoàn nguyên thay vật liệu lọc sử dụng Hấp phụ oxyt nhôm hoạt hóa: Công ty Project Earth Industries (PEI Inc.) chế tạo loại vật liệu hấp phụ rẻ tiền, có nguồn gốc từ nhôm, có khả tách Asen dạng tồn phổ biến nước As (III) As(V) Vật liệu hấp phụ có đặc tính hóa học, diện tích bề mặt độ rỗng cao, có khả hấp phụ cao 10 lần so với vật liệu thông thường có mặt Ion cạnh tranh Hấp phụ vật liệu Laterite: Laterite loại đất axit có màu đỏ, phổ biến vùng nhiệt đới Có thành phần chủ yếu Hydroxyt Sắt Nhôm, oxyt ngậm nước chúng, lượng nhỏ hợp chất Mangan, Titan Hiệu suất xử lý đạt 50 - 90 %  Công nghệ lọc Công nghệ lọc qua lớp vật liệu lọc cát: Asen loại bỏ khỏi nước bể lọc cát nhờ đồng kết tủa với Fe(III) bề mặt hạt cát không gian lỗ rỗng lớp cát Hidroxit Fe(III) hấp phụ bề mặt hạt cát tạo thành lớp hấp phụ mỏng Asen (V) Asen(III) nước hấp phụ vào lớp Fe(OH)3 bị giữ lại lớp vật liệu lọc Fe(II) + O2 (không khí) → Fe(III) Fe(III) + As(III) → Fe(II) + As(V) Fe(III) + As(V) → FeAsO4 ¯ Công nghệ lọc màng: Sử dụng màng bán thấm, cho phép nước số chất hòa tan qua, để làm nước Tuy nhiên, phương pháp thường đắt thường sử dụng trường hợp cần thiết, bắt buộc, khó áp dụng 10 phương pháp khác khử muối, loại bỏ số ion Asen Có nhiều loại màng lọc sử dụng vi lọc, thẩm thấu ngược, điện thẩm tách, siêu lọc lọc nano Hiệu suất chi phí cho trình lọc màng phụ thuộc vào chất lượng nước nguồn yêu cầu chất lượng nước sau xử lý  Trao đổi Ion Có thể loại bỏ ion Asenat (As (V)) nước phương pháp trao đổi ion với vật liệu trao đổi gốc anion axit mạnh (Cl-) Loại vật liệu trao đổi ion có ưu điểm sử dụng dung dịch muối đậm đặc NaCl để hoàn nguyên hạt trao đổi ion bão hòa Asen Nồng độ Asen sau xử lý hạ thấp tới ppb Tuy nhiên công nghệ trao đổi ion tương đối phức tạp, có khả áp dụng cho hộ gia đình đơn lẻ  Oxi hóa Oxi hóa chất oxi hóa mạnh: Các chất oxi hóa phép sử dụng cấp nước Clo, KMnO4, H2O2 ,Ozon Oxi hóa điện hóa: Có thể xử lý nước chứa Asen phương pháp dùng điện cực hợp kim áp dụng cho hộ sử dụng nước quy mô nhỏ Oxi quang hóa : Chất oxy hóa oxy tinh khiết sục khí Chất hấp phụ quang hóa Fe(II), Fe(III), Ca(II) Có thể sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn tia cực tím Phản ứng xảy nhiệt độ phòng ánh sáng thấp, không đòi hỏi thiết bị phức tạp Do As(III) bị oxy hóa thành As(V) với tốc độ chậm, sử dụng chất oxy hóa mạnh Cl2, H2O2 O3 III Asen sức khỏe người: Những đường xâm nhập arsenic vào thể: 11 Asen vào thể tất đường như: hít thở, ăn uống thẩm thấu qua da Trong đó, uống nước nhiễm asen đường để asen xâm nhập vào thể Tác hại arsenic đến sức khỏe người: a Mức độ độc hại : Asen tự hợp chất độc.Trong hợp chất hợp chất As(III) độc Tổ chức y tế giới (WHO) xếp As vào nhóm độc hại loại A gồm: Hg, Pb, Se, Cd, As Người bị nhiễm độc thường có tỷ lệ bị đột biến NST cao Từ lâu, As dạng vô sử dụng làm chất độc, lượng lớn asen loại gây chết người Sự nhiễm độc asen tai họa môi trường sức khỏe người Hiện giới chưa có phương pháp hữu hiệu chữa bệnh b Hậu nhiễm độc arsenic: Asen gây độc mãn tính tích lũy gan với mức độ khác nhau, liều gây tử vong 0,1g (tính theo As2O3 ) Nếu bị nhiễm độc cấp tính, asen gây tử vong vòng vài đến ngày, mức độ nhiễm nhẹ tổn thương mô hay hệ thống thể Nó gây 19 loại bệnh khác nhau, thường qua đường hô hấp tiêu hóa: 12  Các bệnh nan y ung thư da, phổi, bàng quang, thận, ruột…  Các bệnh khác: to chướng gan, bệnh đái đường, sơ gan,…  Tổn thương da tăng hay giảm màu da, tăng sừng hóa c Nhiễm độc cấp tính  Qua đường tiêu hóa: Khi anhydrit arsenous chì arsenat vào thể biểu triệu chứng rối loạn tiêu hóa đau bụng, nôn, bỏng, khô miệng, tiêu chảy nhiều thể bị nước… Bệnh tương tự bệnh tả, dẫn đến tử vong từ 12-18 Trường hợp sống nạn nhân bị viêm da tróc vảy viêm dây thần kinh ngoại vi Một tác động đặc trưng bị nhiễm độc asen dạng hợp chất vô qua đường miệng xuất vết màu đen sáng da  Qua đường hô hấp: (hít thở không khí có bụi, khói asen) Kích ứng đường hô hấp: ho, đau hít vào, khó thở Rối loạn thần kinh: nhức đầu, chóng mặt, đau chi Asen có tác dụng gây liệt mao mạch tượng xanh tím mặt Còn có tổn thương mắt viêm da mí mắt, viêm kết mạc d Nhiễm độc mãn tính: Trong môi trường tiếp xúc thường xuyên với asen nồng độ vượt độ an toàn chưa gây độc cấp tính, asen gây nhiễm độc mãn tính với triệu chứng lâm sang mệt mỏi, chán ăn, giảm trọng lượng thể, xuất bệnh dày, da (hội chứng đen da, ung thư da), gan bàn chân, rối loạn chức gan Nhiễm độc mãn tính gây tác dụng toàn thân cục Các triệu chứng nhiễm độc mãn tính sau 2-8 tuần:  Tổn thương da: ban đỏ, sần mụn nước, tổn thương kiểu loét phần da hở, tăng sừng hóa gan bàn tay, bàn chân, nhiễm sắc, vân trắng móng (gọi đám vân Mees) 13  Tổn thương niêm mạc viêm kết giác mạc, kích ứng đường hô hấp trên, viêm niêm mạc hô hấp, làm thủng vách ngăn mũi  Rối loạn dày, ruột: buồn nôn, nôn, đau bụng, tiêu chảy, táo bón luân phiên nhau, loét dày  Rối loạn thần kinh: viêm dây thần kinh ngoại vi cảm giác vận động, biểu độc nhiễm độc mãn tính Các biểu khác tê đầu chi, đau chi, bước khó khan, suy nhược (chủ yếu duỗi ngón tay ngón chân)  Nuốt phải hít thở asen không khí thường xuyên, liên tiếp dẫn đến thoái hóa gan, xơ gan  Tác động đến tim  Rối loạn toàn than người gầy, chán ăn  Liều gây tử vong người: 70-180mg/kg trọng lượng thể Kết rút qua trường hợp bị ngộ độc As tử vong bệnh viện Cơ chế gây độc Asen công nhóm sulfurhydryl enzym làm cản trở hoạt động enzym As(III) công liên kết có nhóm sulfur làm đông tụ protein Khi vào thể, đặc biệt As(III) công enzym chứa nhóm –SH cản trở hoạt động chúng Cũng giống pphotphat, asenat dễ kết tủa với kim loại Khi vào thể, arsenat chỗ photphat chuỗi phản ứng tạo adenozintriphotphat (ATP) – chất có vai trò quan trọng trao đổi chất tế bào ATP không hình thành Tóm lại tác dụng sinh hóa asen làm đông tụ protein, tạo phức với coenzyme phá hủy trình hình thành photphat hóa tạo ATP 14 15 ... chậm, sử dụng chất oxy hóa mạnh Cl2, H2O2 O3 III Asen sức khỏe người: Những đường xâm nhập arsenic vào thể: 11 Asen vào thể tất đường như: hít thở, ăn uống thẩm thấu qua da Trong đó, uống nước. .. As vào nước 3.Dạng tồn asen nước 4.Tính hình chung giới vấn đề ô nhiễm asen 5.Ô nhiễm asen Việt Nam .8 6.Phương pháp loại bỏ asen khỏi nguồn nước III.Asen sức khỏe người. .. hợp kim áp dụng cho hộ sử dụng nước quy mô nhỏ Oxi quang hóa : Chất oxy hóa oxy tinh khiết sục khí Chất hấp phụ quang hóa Fe(II), Fe(III), Ca(II) Có thể sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn tia