Nghiên cứu về ô nhiễm biển gây ra do việc phát thải kim loại vào nước biển sau sự cố tràn axit

Mơn Phân tích chất lượng đất nước Đề tài thuyết trình 16: Nghiên cứu nhiễm biển gây việc phát thải kim loại vào nước biển sau cố tràn axit ( Jean-Yves Cabona, Philippe Giamarchia,*, Stephane Le Flochb ) Nhóm : Lý Tiểu Phụng 1022227 Lê Nguyễn Thế Phương 1022228 Nghiên cứu ô nhiễm biển gây việc phát thải kim loại vào nước biển sau cố tràn axit Tóm tắt Nghiên cứu kiểm tra tình trạng nhiễm kim loại gây cố tràn axit khác vào nước biển Các axit chìm xuống đáy biển tùy theo khối lượng riêng chúng sau phản ứng với trầm tích biển Các axit lựa chọn lựa cho nghiên cứu axit acetic, hydrochloric, nitric, sulfuric photphoric, nguyên tố kim loại lựa chọn Cr, Cu, Fe, Mn, Pb, Zn Trầm tích thu thập Cảng Brest Phần trăm kim loại từ trầm tích có có mặt nồng độ axit khác nước biển điều cần quan tâm Nồng độ khoảng mg/L Mn 60 mg/L Zn phát điều kiện thực nghiệm Chúng tơi kiểm tra tốc độ kim loại từ trầm tích vào nước biển diện axit khác điều kiện thí nghiệm khác Chúng tơi thấy hầu hết nguyên tố kim loại thoát từ trầm tích vào nước biển thời gian 15 phút trình tiếp xúc Sau thời gian này, ô nhiễm xảy nhiều axit rửa trơi vào nước biển khơng pha lỗng nhanh chóng Giới thiệu Axit chất hóa học vận chuyển với số lượng lớn tàu Mỗi năm khoảng 800.000 axit photphoric, 770.000 axit sulfuric, 650.000 axit axetic vận chuyển qua cảng châu Âu Nhiều tai nạn gần xảy ra, chẳng hạn tai nạn "ESE” (quần đảo Marshall đăng ký chở hóa chất) vào năm 2006, chở 10.000 axit photphoric, tai nạn “Balu" (một tàu chở hóa chất Maltese) năm 2001, chở 8000 axit sulfuric (Marchand, 2003; HELCOM, 2002) Những cố tràn lớn đại dương có tác động trực tiếp đời sống thuỷ sinh thông qua việc giảm đáng kể độ pH, tăng nhiệt độ sản xuất loại khí độc hại Tiếp theo tác động tức thời, loại ô nhiễm khác xảy axit tương tác với lớp trầm tích Những tác động đặc biệt rõ rệt tai nạn xảy bến cảng khu vực cửa sơng, nơi dòng biển yếu, gây pha lỗng chậm axit nước biển Kim loại có mặt trầm tích với hình dạng lý hóa khác (khơng bền, carbonate, sulfate, lưu huỳnh, hữu cơ, vv) giải phóng vào môi trường biển theo tốc độ khác (Marin cộng sự, 1997; Petronio cộng sự, 2000; Morel Price, 2003; Hirose, 2006) Việc phát thải axit từ trầm tích vào nước biển phụ thuộc vào chất axit đổ vào nồng độ axit nước biển rửa trơi từ trầm tích Mơ hình tác động cố tràn axit gần số lượng thông số xem xét, chẳng hạn số lượng axit, dòng chảy axit khỏi tàu, độ sâu tàu, độ sâu cột nước, gió, sóng, dòng biển, chất axit, hệ số thủy triều, tính chất thành phần hạt trầm tích, nồng độ kim loại, tính đồng mẫu phát thải động học Vì vậy, cách để nghiên cứu cố tràn axit làm theo hậu kiện thực tế cố gắng làm bật xu hướng cho phép cải tiến để tìm quy ước sau tai nạn tương lai Mục tiêu nghiên cứu cố gắng đánh giá số tác động môi trường cố tràn lượng lớn axit vào nước biển khả phản ứng axit với trầm tích Đặc biệt, chúng tơi kiểm tra việc ngun tố kim loại vào mơi trường biển ảnh hưởng nồng độ khác axit axetic, hydrochloric, nitric, sulfuric, photphoric việc kim loại từ trầm tích thu thập Cảng Brest Chúng nghiên cứu tác động kim loại: thiết yếu, trung tính hay gây độc cho sinh vật biển, có crơm, đồng, sắt, mangan, chì kẽm (Comber cộng sự, 2008; Langston, 1990; Barka cộng sự, 2000) Hơn nữa, chúng tơi nghiên cứu việc kim loại từ trầm tích diện nồng độ axit khác nhau, có khơng có khuấy trộn thời gian tiếp xúc khác Vật liệu phương pháp 2.1 Trầm tích Trầm tích (1 kg) sử dụng nghiên cứu này, thu thập Cảng Brest Trầm tích sấy khơ 1000C sau nghiền cối, qua sàng 500 µm lắc mạnh để có mẫu đồng nhất, cho phép kết lặp lại với khối lượng trầm tích nhỏ (0,2 g) 2.2 Hóa chất Axit hydrochloric, nitric, sulfuric, phosphoric axetic sử dụng từ sản phẩm Merck Các dung dịch chuẩn Cr, Cu, Fe, Mn, Pb, Zn sử dụng để dựng đường chuẩn (1 g/L dung dịch Merck HNO3 0,5 M) Các đặc tính dung dịch cung cấp Bảng Tất dung dịch pha loãng chuẩn bị nước Milli Q (18,2 MΩ/cm) Nước biển bơm từ Cảng Brest điểm nghiên cứu Cedre 2.3 Quy trình rửa trơi Mỗi dung dịch axit khác (20 ml) thêm vào 0,2 g trầm tích bình Teflon 30 ml Đối với axit, tổng cộng 10 lần lặp lại, 10 bình lắc đồng thời vòng 15 nhiệt độ phòng cách sử dụng máy KS 130 IKA lắc tốc độ 60 rpm Sau lắng, ml bề mặt thu ống tiêm khí nén pha lỗng đến 100 ml với HNO3 0,1 M Đối với nghiên cứu động học, 100 ml dung dịch axit khác thêm vào g trầm tích bình Teflon; ml bùn trầm tích lọc với ống tiêm khí nén để tách trầm tích từ dung dịch trước dung dịch pha loãng với nước (bộ lọc màng Sartorius 0.45 Ωm) 2.4 Thủy phân trầm tích Axit đậm đặc (5 ml) HF đậm đặc (2 ml) thêm vào 0,2 g trầm tích khơ bình Teflon Sau bọt khí biến mất, bình nung nóng 1000C, ml H2O2 bổ sung làm ấm 850C Các dung dịch axit sau làm bay đến khơ, q trình lặp lặp lại ba lần Sau đó, ml HNO3 thêm vào bình làm nóng 1000C Các dung dịch sau pha loãng với nước để tạo nên dung dịch 100 ml trước phân tích kim loại tiến hành phổ hấp thụ nguyên tử buồng đốt graphit (GFAAS) 2.5 Thành phần hợp chất hữu Thành phần hợp chất hữu (% trầm tích khơ) xác định cách hóa tro 4500C 24 2.6 Xác định kim loại GFAAS Nồng độ kim loại dung dịch khác xác định phổ hấp thụ nguyên tử buồng đốt graphit Bảng Các loại axit hiệu ứng quan sát sau trộn với nước biển (1/1) Perkin-Elmer SIMAA 6100 sử dụng chế độ đơn sắc cho tất phép đo hấp thụ nguyên tử Kim loại phân tích ống nghiệm phủ lớp nhiệt phân chì trang bị bệ điều khiển tích hợp Argan sử dụng khí trơ q trình Mẫu đưa vào buồng đốt sử dụng tính tự động lấy mẫu Perkin-Elmer AS800 lưu trữ ống polypropylene rửa axit trước tiêm Nguồn ánh sáng đèn cathode rỗng Perkin-Elmer Những đường chuẩn dựng và, cần thiết, dung dịch pha loãng trước phép đo thực Pha loãng thực với hiệu chuẩn bơm kim tiêm khí nén Gilson Pipetman Để xác định nồng độ Cr, Cu, Fe, Mn, nhiệt độ nguyên tử hóa sử dụng 23000C ; Pb, Zn nhiệt độ nguyên tử hóa sử dụng 18000C Chương trình buồng đốt tối ưu hóa trước (Cabon cộng sự, 2007; Salomon cộng sự, 2000; Lê Garrec cộng sự, 1997, 1998) Khơng có bước tiền xử lý sử dụng để xác định kim loại dung dịch khác Pd (10 µg Pd), biết Pd(NO3)2, sử dụng chất hiệu chỉnh hóa học tất phép đo 3 Kết thí nghiệm: 3.1 Xác định kim loại chứa trầm tích: Tổng lượng kim loại chứa mẫu trầm tích xác định sau phân hủy lượng vừa đủ HNO3-HF Thành phần khối lượng loại kim loại mẫu trầm tích đưa bảng Thành phần khối lượng kim loại mẫu trầm tích tham khảo khảo sát Hội đồng nghiên cứu Canada đưa bảng Trong bảng cụ thể loại trầm tích bị nhiễm nặng thành phần kim loại chì, đồng, kẽm Các kim loại gây độc hại cho sinh vật biển chúng thoát nhanh với số lượng lớn Bảng Khối lượng kim loại trầm tích khác (µg/g) 3.2 Tính chất hóa lý hỗn hợp acid-nước biển: Đã đưa bảng 1, acid hòa trộn với nước biển (tỉ lệ thể tích 1:1), có gia tăng nhiệt độ hòa tan acid vào Sự gia tăng nhiệt độ phụ thuộc vào độ tinh khiết acid hoạt tính acid sulfuric Sản phẩm tạo có nhiệt độ xấp xỉ 100oC Khi acid khơng pha lỗng hòa trộn với trầm tích, carbonate sulfide có acid tạo thành khí CO2 H2S tạo thành dạng hạt nhỏ Sự thay đổi màu acid hòa tan thơng qua dạng tương ứng với dạng phức dạng tự hợp chất hữu đưa bảng Tổng lượng chất hữu tìm thấy khoảng 10% khối lượng trầm tích khơ Acid hòa vào nước biển với nhiều tỉ lệ khác phụ thuộc vào độ phân tán nước biển, tóm lại, acid pha lỗng với nước biển với tỉ lệ trước tới trầm tích Độ pha lỗng acid phụ thuộc vào độ sâu mực nước biển điều kiện hòa trộn mơi trường Từ kết quan sát yêu cầu cần có thêm nghiên cứu tác động nồng độ acid khác thoát kim loại từ trầm tích vào nước biển Thời gian tiếp xúc thơng số quan trọng chúng tơi làm thí nghiệm xem xét tỉ lệ kim loại từ trầm tích tác dụng với nước biển acid hóa Lượng kim loại thoát nồng độ chúng nước biển phụ thuộc nhiều vào điều kiện hòa trộn khu vực 3.3 Ảnh hưởng nồng độ acid lượng kim loại thoát Biểu đồ thể khác nồng độ kim loại ( Cr, Cu, Fe, Mn, Pb Zn) nước biển hòa tan với nồng độ khác acid hydrochloric acid acetic Nó chí ion kim loại bị ảnh hưởng hydrogeno-carbonate chứa trầm tích có pH khoảng 8.1 khơng khỏi trầm tích Nước biển đệm hệ dung dịch đệm hydrogeno-carbonate Biểu đồ toàn kim loại thoát tỉ lệ ion hydrogeno-carbonate/carbonate cân Những đường cong cho thấy phản ứng tương tự tất kim loại với có mặt acid hydrochloric acid acetic đồng thời thể gia tăng đáng kể nồng độ kim loại nước biển dần trở nên có tính acid mạnh Nồng độ kim loại thoát đạt cực đại nồng độ aicd lớn 200 g/L Nồng độ kim loại có nước biển bị acid hóa đạt giá trị cao trầm tích có nồng độ kim loại cao Nồng độ kim loại xếp từ cao đến thấp: Fe >> Zn>> Cu, Pb > Mn > Cr với có mặt acid acetic, acid yếu thường để xác định phần kim loại có khả dễ tác dụng sinh học, giống dự đốn, tìm thấy (ngoại trừ kẽm) giá trị nồng độ thấp nhiều so với có xuất acid hydrochloric, lượng kim loại dễ tác dụng sinh học thấp so với acid khác Trong trường hợp này, kim loại thoát vào nước biển dạng sơ cấp, chúng bẫy lại trầm tích nhờ vào ảnh hưởng hệ đệm hydrogeno-carbonate carbonate nước biển Được thể bảng 3, nồng độ kim loại thấp đáng kể với có mặt acid phosphoric, acid phosphoric yếu acid hydrochloric, acid nitric acid sulfuric có mặt đồng, sắt chì Đối với Hydrochloric, nitric sulfuric acid khơng có khác biệt lớn nồng độ kim loại, ngoại trừ nồng độ chì với có mặt acid sulfuric Nồng độ chì giảm ion sulfate Tỉ lệ tối đa kim loại từ trầm tích vào nước biển với có mặt acid khác có khác biệt Giá trị đạt khoảng 100% chì (HNO3 HCl), 90% kẽm (H2SO4 H3PO4), 80% đồng (HNO3 H2SO4), 80% Mangan (HCl or H2SO4), 55% sắt (HCl, HNO3 H2SO4) crom (HCl, HNO3,H2SO4 H3PO4) Những nồng độ gây độc hại mức cho đời sống sinh vật nước pha loãng nước biển khơng đủ Ví dụ Mangan, nồng độ tìm thấy 7mg/L gấp 4500 lần so với Nồng độ dự đốn khơng gây ảnh hưởng (PNEC) mangan nước biển (Marchand and Tissier, 2006; European Com-mission, 2003; Canterford and Canterford, 1980; INERIS, 2007) Đối với kẽm nồng độ 60 mg/L gấp 7000 lần so với PNEC (European Commission, 2008;INERIS, 2005) Hình Lượng kim loại khối lượng acid acetic khác Hình Kim loại theo khối lượng acid hydrochloric 3.4 Tỉ lệ kim loại thoát Khối lượng kim loại từ trầm tích vào nước biển phụ thuộc vào độ tinh khiết acid số lượng acid đổ vào Tuy nhiên, thông số quan trọng khác xem xét tới bao gồm thời gian tiếp xúc nước biển acid hóa yếu tố động học kim loại từ trầm tích vào nước biển Vì vậy, nghiên cứu tỉ lệ từ trầm tích vào nước biển acid hóa cho số kim loại, ví dụ dùng acid yếu (20% CH3COOH-nước biển) để ước lượng phần kim loại tác dụng sinh học (Armynot du Chatelet et al.,2003) Chúng ta sử dụng acid mạnh (20% HCl-nước biển) để xác định phần kim loại có tác dụng sinh học Biểu đồ thể khác tỉ lệ phần trăm kim loại tách theo thời gian dung dịch acid Trong thí nghiệm này, 5g trầm tích bỏ vào 100mL Acid hydrochloric acid acetic lắc Mẫu (2mL) lấy sau khoảng thời gian khác lọc qua giấy lọc 0.45 µm trước phân tích Giống dự đốn, phần trăm kim loại tách thấp sử dụng acid acetic cao sử dụng acid hydrochloric Trong hỗn hợp vừa đủ acetic 20% - nước biển , số lượng lớn (~40%) Zn thoát ra, có khả tương ứng với tỷ lệ cao nhiều chất không bền hydrogenocarbonate/carbonate Tỷ lệ không vượt 10% kim loại khác tập trung chủ yếu trầm tích sunfua, oxit lồi hữu Trong hỗn hợp vừa đủ HCl 20% - nước biển, xấp xỉ 60% Zn, Pb Cu thoát Chúng bao gồm chủ yếu hydrogeno cacbonat, sulfua chất hữu Tỷ lệ phần trăm Cr, Fe Mn thấp mơi trường kim loại diện trầm tích với dạng oxit, mà chúng bền với tác động acid Việc thoát kim loại nước biển nhanh nhiều có diện acid hydrochloric có diện axit axetic Tỷ lệ thoát tối đa gần đạt sau 15 phút môi trường acid hydrochloric 60 phút môi trường axit axetic, tất kim loại tách với lượng tương đối giống Do đó, axit mạnh giải phóng lượng lớn kim loại nước biển nhanh hơn, axit, hầu hết kim loại có tác dụng sinh học vào nước biển vòng 15 phút tiếp xúc Tất thí nghiệm nghiên cứu tiến hành nhiệt độ phòng Tuy nhiên, gia tăng nhiệt độ (đặc biệt axit sunfuric) pha trộn axit với nước biển cần xem xét có khả ảnh hưởng đến tất động học việc hòa tan acid nóng vào nước biển vào tiếp xúc với trầm tích Hình Tốc độ thoát kim loại diện acid acetic Hình Tốc độ kim loại diện acid hydrochloric 3.5 Mô vụ tràn axit mặt nước Trong thí nghiệm này, tỉ lệ kim loại tách từ trầm tích gây axit nước biển kiểm tra cách sử dụng thí nghiệm để cố gắng phát khác biệt liên quan đến khác biệt mật độ axit nghiên cứu 3.5.1 Cột nước tác động lực Trầm tích (1 g) đặt ống nghiệm 600 ml, 500 ml nước biển thêm vào Cột cao 25 cm có đường kính cm, tốc độ tác động lựa chọn để không loại bỏ trầm tích từ đáy ống nghiệm Axit (20 ml) sau đổ qua phễu bề mặt nước Axit chìm xuống đáy đồng thời kết hợp với nước biển Kết dung dịch axit - nước biển sau bị tan vào trầm tích phía Việc bổ sung axit gây hình thành bong bóng khí (CO2, H2S) lên bề mặt dung dịch axit - nước biển Phản ứng khiến cho nước lỏng trở thành dạng hạt nhỏ hơn, hiệu ứng rõ rệt cho H2SO4 Chúng thấy tỷ lệ thoát kim loại khác tương đối giống nhau, đó, chúng tơi xem xét kim loại đồng, từ trầm tích vào nước biển Biểu đồ cho thấy tỷ lệ thoát đồng nước biển giống diện axit khác Trong diện tất axit, sau nhanh chóng phần nhỏ kim loại từ lớp trầm tích (1 phút) ,đạt tới đỉnh cách nhanh chóng Trầm tích khơng tái lơ lửng dung dịch axit, đó, tỷ lệ thẩm thấu chậm tỷ lệ phần trăm kim loại từ trầm tích vào nước biển vòng 100 phút thấp so với tác động lực Hình Tốc độ ta Cu acid khác ống nghiệm khuấy nhẹ Như thí nghiệm thực trộn mạnh hơn, tỷ lệ phần trăm đồng tách từ trầm tích tương tự diện axit clohydric, nitric sulfuric, tỷ lệ tách thấp trường hợp photphoric axit axetic Theo điều kiện thí nghiệm này, tồn cột nước biển nhanh chóng axit hóa khơng có vấn đề acid sử dụng Cột nước biển không đủ cao để phát khác biệt tách kim loại liên quan đến mật độ, mối quan hệ thuộc tính khác axit trộn lẫn nước biển khác 3.5.2 Cột nước không tác động lực Khơng giống thí nghiệm trước đây, axit đưa vào từ cột nước biển mà không cần tác động lực Các mẫu lấy mặt nước biển cm vào thời điểm khác Sau mẫu lọc, nồng độ đồng mà chúng tơi chọn để kiểm tra thí nghiệm xác định Hơn nữa, giới hạn nghiên cứu chúng tơi cho hai axit có mật độ khác nhau: axit axetic, axit yếu (d = 1,05), axit nitric, acid mạnh ( d = 1,4 ) Khi axit (20 ml) thêm vào bề mặt nước, chúng chìm xuống đáy cách trộn với nước biển Các axit chìm mức độ khác tùy theo mật độ chúng Nước biển axit hóa sau phản ứng với trầm tích, việc tạo bong bóng tăng lên bề mặt mang hạt nhỏ lên làm xáo trộn đến cột nước biển Những hạt nhỏ lắng thành trầm tích lần bọt khí giảm, hỗn hợp trở nên suốt lần Quan sát tương tự hai axit, rõ rệt trường hợp axit nitric, mà phản ứng mạnh nhanh chóng với trầm tích sức mạnh mật độ cao Sự thay đổi nồng độ đồng theo thời gian thể biểu đồ 6, gia tăng nhanh chóng nồng độ đồng quan sát thấy cột Đỉnh cao nồng độ đồng quan sát thấy vài phút diện hạt mịn thực nhanh chóng để phía cột nước biển Những hạt mịn làm kim loại thoát trước việc tái trầm tích xảy Cột nước trở nên suốt lần nữa, trầm tích đặt phía tiếp tục kim loại từ từ Các cách tác động khác hai loại axit mật độ sức mạnh khác chúng Tỷ lệ phần trăm kim loại thoát sau 100 phút thấp khoảng hai lần so với sử dụng cột nước có tác động nhẹ Hình Tốc độ thoát Cu acid khác ống nghiệm không khuấy Kết luận Nghiên cứu cho thấy cố tràn axit nước biển tạo ảnh hưởng phá hủy môi trường sinh vật biển thông qua phản ứng axit với nước biển, đặc biệt ảnh hưởng q trình axit hóa nhiệt độ tăng lên Hơn nữa, tùy thuộc vào tốc độ axit chìm xuống, cố tràn axit gây tác động quan trọng đến chất ô nhiễm thứ cấp Thật vậy, phần lớn kim loại từ trầm tích sau ion hydrogeno-carbonate/carbonate trung hòa điều kiện axit nhẹ (mơi trường axetic) Một phần lớn kim loại theo điều kiện có tính axit gia tăng phân hủy trầm tích khống và/hoặc trầm tích mẹ hữu Với có mặt axit mạnh, nồng độ kim loại đo nước biển axit hóa cao 1.000-7.000 lần so với nồng độ không bị ảnh hưởng biết trước (Predictive No-Effect Concentrations _PNECs) môi trường, chứng minh nguyên tử kim loại nhanh chóng từ trầm tích vào nước biển Do đó, nhiễm kim loại nặng gây axit đặc, mạnh vùng biển kín, đặc biệt bến cảng, nơi mực nước biển nơng nơi mà trầm tích thường bị ô nhiễm cao hoạt động người Cần lưu ý khoảng m3 nước biển cần thiết để trung hòa lít dung dịch axit 10M Ơ nhiễm mơi trường axit biến hồn tồn cách pha lỗng sau trung hòa hồn tồn nhanh chóng ion hydrogeno cacbonat nước biển Mặt khác, kg trầm tích có khả gây nhiễm Pb Zn cho khoảng 100 m3 nước biển khoảng 800 m3 nước biển Cu PNEC Các tác động ô nhiễm kim loại phụ thuộc vào khác biệt hóa học kim loại khuếch tán vật lý chúng nước biển, tỉ số kết tủa hydrogeno-carbonate/carbonate chậm Do đó, kim loại khuếch tán rộng rãi biển có tác động sinh học cho sinh vật biển thời gian dài  .. .Nghiên cứu ô nhiễm biển gây việc phát thải kim loại vào nước biển sau cố tràn axit Tóm tắt Nghiên cứu kiểm tra tình trạng nhiễm kim loại gây cố tràn axit khác vào nước biển Các axit chìm... trường biển theo tốc độ khác (Marin cộng sự, 1997; Petronio cộng sự, 2000; Morel Price, 2003; Hirose, 2006) Việc phát thải axit từ trầm tích vào nước biển phụ thuộc vào chất axit đổ vào nồng độ axit. .. quy ước sau tai nạn tương lai Mục tiêu nghiên cứu cố gắng đánh giá số tác động môi trường cố tràn lượng lớn axit vào nước biển khả phản ứng axit với trầm tích Đặc biệt, chúng tơi kiểm tra việc nguyên