Thuyết trình kim loại Thủy ngân Hg

Mục lục I. Tổng quan về Hg. 1. Vị trí và cấu tạo nguyên tố thủy ngân: 2. Tính chất vật lí: 3. Các trạng thái oxi hóa và các dạng tồn tại của thủy ngân trong môi trường 4. Nguồn gốc của thủy ngân a. Nguồn tự nhiên: b. Nguồn nhân tạo: II. Chuyển hóa của Hg 1. Các quá trình chính a. Chu trình thủy ngân toàn cầu. b. Chu trình thủy ngân địa phương và khu vực 2. Các quá trình khí quyển a) Phát thải Mercury b) Quá trình vận chuyển và chuyển dạng thủy ngân c) Quá trình lắng đọng của Mercury d) Quá trình tái phát thải thủy ngân vào khí quyển III. Tích lũy sinh học (Bioaccumulation) và khuếch đại sinh học (Biomagnification). IV. Độc tính của thủy ngân. 1. Thủy ngân ảnh hưởng tới sức khỏe con người 2. Đào thải: 3. Những trường hợp bị nhiễm độc thủy ngân

b Nguồn nhân tạo:

II Chuyển hóa của Hg

1 Các quá trình chính

a Chu trình thủy ngân toàn cầu.

b Chu trình thủy ngân địa phương và khu vực

2 Các quá trình khí quyển

a) Phát thải Mercury

b) Quá trình vận chuyển và chuyển dạng thủy ngân

c) Quá trình lắng đọng của Mercury

d) Quá trình tái phát thải thủy ngân vào khí quyển

III Tích lũy sinh học (Bioaccumulation) và khuếch đại sinh học

(Biomagnification)

IV Độc tính của thủy ngân.

1 Thủy ngân ảnh hưởng tới sức khỏe con người

- Nhóm 2B, chu kì 6, phân lớp d.

- Số hiệu nguyên tử: 80

- Khối lượng phân tử: 200,59

- Cấu hình electron: [Xe]4f145d106s2

- Trạng thái oxy hóa: +1,+2

6 Nhiệt lượng nóng chảy 2,29 kJ·mol−1

7 Nhiệt lượng bay hơi 59,11 kJ·mol−1

Thủy ngân là kim loại nặng, có màu trắng bạc, linh động, và ở trạng thái lỏng ởnhiệt độ thường.

Thủy ngân có sức căng bề mặt lớn: sử dụng nhiều trong các thết bị đo đạc: nhiệt

kế, áp kế…

- Tính nhớt: thấp và khả năng tạo những giọt có tính di động cao trên bề mặt.

Chính tính nhớt thấp làm cho những giọt thủy ngân kết hợp thành một khichúng va chạm với nhau Tính linh động cao nên thủy ngân còn được gọi là

“quicksilver”

- Sức căng bề mặt : lớn, tạo những giọt hình cầu khi chúng được giải phóng ra.

Mặc dù các giọt phân tử thủy ngân khá ổn định nhưng các phân tử trên bề mặtgiọt lại có rất không ổn định và dễ bay hơi Dựa vào sức căng bề măt lớn, sựdãn nở thể tích mà thủy ngân được sử dụng làm nhiệt kế, phong vũ biểu (đo khíáp) và các thiết bị đo lường khác

- Áp suất hơi :

Phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ và có thể bay hơi ở cả điều kiện thường, với ápsuất hơi bão hòa 14mg/m3, vượt mức cho phép của hàm lượng thủy ngân trongmôi trường lao động (0.05 mg/m3), phơi nhiễm liên tục trong môi trường

(0.015mg/m3), tốc độ bay hơi của thủy ngân tăng gần gâp đôi mỗi khi nhiệt độtăng lên 10oC.

Là nguyên tố có tính tích lũy, mà điển hình là thủy ngân có thể tích lũy sinh họctrong chuỗi thức ăn và khuếch đại trong môi trường

Hợp chất của thủy ngân có tính độc hơn nguyên tố thủy ngân

7 Các trạng thái oxi hóa và các dạng tồn tại của thủy ngân trong môi trường

Hgo, [Hg(0)]: Dạng hơi, dạng lỏng

Hg(I): muối vô cơ

Hg(II): muối hữu cơ hoặc muối vô cơ

Tùy thuộc vào liều lượng, con đường chuyển hóa và các điều kiện môi trườngkhác nhau mà các dạng của thủy ngân có thể chuyển hóa cho nhau và thể hiệntính độc khác nhau

Một số hình ảnh về ứng dụng thủy ngân: pin, bóng đèn điện, nhiệt kế, áp kế

8 Nguồn gốc của thủy ngân

c Nguồn tự nhiên:

Theo nghiên cứu ước tính trầm tích đại dương chứa khoảng 1017 g thủy ngân, chủyếu là HgS; nước biển chứa khoảng 1013g; trầm tích đất và sông hồ khoảng 1013g;sinh quyển khoảng 1011g; không khí khoảng 108g nguồn nước sạch 107g

- Khoáng vật: chủ yếu là cinnabar (H2S)

- Đá : chứa lượng nhỏ thủy ngân (nồng độ khoảng 0.2 ppm trong đá granite) và

đá thuộc vỏ trái đất (khoảng 1ppm), một phần thủy ngân này có thể đi vàokhông khí và nước qua quá trình phong hóa

- Núi lửa: giải phóng ra hơi thủy ngân vào không khí

Ví dụ: khu vực núi lửa Mauna Loa và Kilauea ở Hawaii có nồng độ Hg trongkhoảng 10-25µ/m3, trong khi hàm lượng Hg trong không khí bình thường là3ng/m3

- Đất và trầm tích: do lắng động từ quá trình tự nhiên và hoạt động của conngười

- Nguồn nước tự nhiên: do lôi cuốn Hg từ bề mặt và các nguồn tự nhiên khác.Phần lớn nước tự nhiên chứa có nồng độ thủy ngân nhỏ hơn 1 ppb.

d Nguồn nhân tạo:

-Khai thác mỏ: làm giải phóng thủy ngân khỏi đá

-Thiết bị điện và chất thải các dụng cụ gia đình có chứa thủy ngân: pin, bóngđèn, nhiệt kế, máy điều nhiệt,

-Hóa chất: thuốc diệt nấm, chất bảo quản, thuốc trừ sâu, và các hóa chất khác

sử dụng trong nông nghiệp, phòng thí nghiệm, nhà máy sản xuất…

-Y khoa: trám răng, dược phẩm,

-Đốt cháy nhiên liệu: than đá, dầu, chất thải y tế, gỗ,

Một số tác giả đã sử dụng một số kỹ thuật khác nhau để ước tính nồng độ thủyngân trong thời kì tiền công nghiệp trong môi trường trước con người phát thải ramôi trường đã trở thành một phần của chu trình thủy ngân toàn cầu Rất khó đểtách biệt nồng độ thủy ngân hiện nay dựa vào nguồn gốc (tức là, con người hoặcthiên nhiên) vì chu trình thủy ngân vẫn luôn diễn ra một cách liên tục trong môitrường

Dựa vào hình ảnh trên và các kết quả tính toán mang tính dự đoán, một phầnlớn thủy ngân phát thải vào không khí do nhân tạo, đặc biệt là ở giai đoạn hiệntại các hoạt động khai thác, sản xuất đã gia tăng hàm lượng thủy ngân phát thải,lắng động, tích lũy sinh học, khuếch đại sinh học và tái phát thải thủy ngân Theo số liệu có được, lượng thủy ngân trong giai đoạn tiền công nghịêp tươngđối thấp và ổn định ở giai đoạn phát triển công nghiệp, hàm lượng thủy ngântăng cao, gấp 3-4 lần lượng thủy ngân ở giai đoạn tiền công nghiệp và không ổnđịnh do nhu cầu của con người ngày càng tăng và lượng thủy ngân phát thải ramôi trường không được xử lí và kiểm soát.

Bảng so sánh lượng thủy ngân trong môi trường ở giai đoạn tiền công nghiệp vàhiện tại

Nguồn gốc thủy ngân Tiền công nghiệp Thời kì công nghiệp hóa

Tái phát thải từ đại dương 600 2000

II Chuyển hóa của Hg

- Chu trình tự nhiên toàn cầu.

- Chu trình toàn cầu bị tác động bởi hoạt động của con người

- Nguồn khu vực

- Các nguồn địa phương

Tiến bộ gần đây cho phép một sự hiểu biết chung về chu trình thủy ngân toàn cầu

và tác động từ nguồn nhân tạo.Rất khó để xác định chính xác lưu lượng Hg trọngphạm vi địa phương và khu vực do các quá trình phát thải và lắng đọng trong tựnhiên

c Chu trình thủy ngân toàn cầu.

Như các nguyên tố trong tự nhiên, thủy ngân có mặt trong môi trường trung gian

và sinh vật Nriagu (1979) ước tính phân phối toàn cầu của thủy ngân và kết luậnrằng đến nay nơi chứa nhiều Hg nhất là trầm tích đại dương Nriagu ước tính rằngcác trầm tích đại dương có thể chứa khoảng 1017 g thủy ngân, chủ yếu là HgS.Nriagu cũng ước tính rằng nước biển chứa khoảng 1013 gam, đất và trầm tích nướcngọt 1013 g, sinh quyển 1011 g (chủ yếu là sinh vật trong đất), bầu khí quyển108 vànước ngọt là 107 g Một số tác giả đã sử dụng một số kỹ thuật khác nhau để ướctính nồng độ thủy ngân trong thời kì tiền công nghiệp trong môi trường trước conngười phát thải ra môi trường đã trở thành một phần của chu trình thủy ngân toàncầu Rất khó để tách biệt nồng độ thủy ngân hiện nay dựa vào nguồn gốc (tức là,con người hoặc thiên nhiên) vì chu trình thủy ngân vẫn luôn diễn ra 1 cách liên tụctrong môi trường

d Chu trình thủy ngân địa phương và khu vực

So sánh các số đo hiện đại (trong vòng 15-20 năm qua) và ghi chép lịch sử chỉ rarằng tổng thời gian thủy ngân trong khí quyển toàn cầu đã tăng lên kể từ khi bắtđầu thời kỳ công nghiệp hóa Một điều tra toàn bộ thủy ngân tích lũy cho thấy sựlắng đọng hàng năm của thủy ngân đã tăng gấp ba đến bốn từ thời kỳ tiền côngnghiệp Mặc dù chúng ta chấp nhận rằng sức tải thủy ngân trong khí quyển đã tăngđáng kể kể từ khi thời kỳ tiền công nghiệp, nhưng không chắc chắn cho dù hàmlượng thủy ngân trong không khí tổng thể đang ngày càng tăng, giảm, hoặc vẫn ổnđịnh Theo một ước tính, khoảng một nửa tổng lượng phát thải thủy ngân từ nguồnnhân tạo cuối cùng đi vào chu kỳ khí quyển toàn cầu, phần còn lại được loại bỏthông qua chu trình địa phương hoặc khu vực Ước tính có khoảng 5 đến 10%

Hg(II) sơ cấp được phát thải và lắng đọng trong vòng 100 km của điểm xả thải vàmột phần lớn hơn trên một quy mô khu vực Hg (0) được phát ra có thể được loại

bỏ trên quy mô địa phương và khu vực do bị oxy hóa để thành Hg (II) Một sốHg(0) cũng có thể được đưa lên trực tiếp bởi các tán lá, hầu hết Hg (0) không bịoxy hóa sẽ trải qua vận chuyển lâu dài do Hg (0) không tan trong nước Nhìnchung, Hg(II) sơ cấp phát thải sẽ được bị lắng đọng ở phạm vi địa phương và khuvực đến mức độ mà quá trình lắng đọng ướt loại bỏ các Hg(II) hòa tan Lắng đọngkhô cũng có thể giải thích cho việc loại bỏ Hg (II) trong khí quyển Giả sử tỷ lệphát thải liên tục, lượng thủy ngân lắng đọng trên quy mô khu vực và địa phương

có thể thay đổi tùy theo đặc điểm nguồn (Đặc biệt là các dạng thủy ngân phát ra),khí tượng và các thuộc tính địa hình, và yếu tố khác

Trong khi xu hướng chung trong sức tải thủy ngân toàn cầu kể từ thời kỳ tiền côngnghiệp dường như là ngày càng tăng, có một số bằng chứng cho thấy nồng độ thủyngân trong môi trường tại các địa điểm nhất định đã ổn định hoặc giảm trong vàithập kỷ qua

4 Các quá trình khí quyển

a Phát thải Mercury

Như đã đề cập thủy ngân được thải ra bầu khí quyển thông qua nguồn tự nhiên vànguồn nhân tạo Quá trình tự nhiên bao gồm bốc hơi thủy ngân trong biển và môitrường nước, bay hơi từ thực vật, khử khí của vật liệu địa chất (ví dụ, đất) và phuntrào núi lửa Phát thải tự nhiên được cho là chủ yếu ở dạng thủy ngân nguyên tố.Như đã nêu, lượng khí thải tự nhiên hiện nay có thể phát sinh từ hai thành phần:thủy ngân hiện tại như một phần của cân bằng tiền công nghiệp và thủy ngân diđộng từ lắng đọng sâu trong địa chất, thêm vào chu trình toàn cầu do hoạt động củacon người

Các nguồn nhân tạo phát thải ra thủy ngân chủ yếu là do các hoạt động côngnghiệp và các quá trình đốt cháy Thủy ngân thải ra bao gồm cả dạng khí và dạnghạt Phát thải thủy ngân ở dạng khí bao gồm cả hình thức nguyên tố và các hìnhthức oxi hóa, trong khi lượng phát thải thủy ngân dạng hạt được cho là được cấutạo chủ yếu của các hợp chất oxy hóa do áp suất hơi tương đối cao của nguyên tốthủy ngân Các phương pháp phân tích về sự biệt hóa thủy ngân của các khí thoát

ra và luồng khí thải đang được tinh chế, và vẫn còn nhiều tranh cãi trong lĩnh vựcnày Phản ứng hóa học cũng có thể xảy ra trong luồng phát thải Sự biệt hóa phátthải thủy ngân được cho là phụ thuộc vào nhiên liệu sử dụng (ví dụ như than, dầu,

rác thải đô thị), làm sạch khói và nhiệt độ hoạt động Dòng thải cho là nằm trongkhoảng từ gần như tất cả thủy ngân hóa trị II cho gần như tất cả thủy ngân nguyên

tố Hầu hết các thủy ngân phát ra tại miệng ống được tìm thấy trong pha khí mặc

dù dòng thoát chứa bồ hóng có thể ràng mang theo một số phần nhỏ của thủy ngân.Các thủy ngân hóa trị II được phân chia giữa pha trung gian khí và hạt Nhiều thủyngân hóa trị II này được cho là HgCl 2 Nhiều hoạt động của con người đến naykhông còn nữa, nhưng các vùng đã từng bị ô nhiễm vẫn tạo ra một lượng thủy ngântrong nước chảy tràn bề mặt, nước ngầm và không khí

b.Quá trình vận chuyển và chuyển dạng thủy ngân

Hg (0) có một thời gian lưu lại trong khí quyển khoảng một năm và do đó sẽ phân

bố khá đồng đều trong tầng đối lưu Thủy ngân (Hg (II)) có thể được lắng đọngtương đối nhanh chóng bởi các quá trình lắng đọng ướt và khô, dẫn đến thời gianlưu chỉ còn từ vài giờ đến vài tháng, cũng có thể lâu hơn Thời gian lưu trong khíquyển giúp cho thủy ngân (II) kết hợp với các hạt có thể đưa về dạng Hg(0) Việcchuyển dạng Hg(0) (khí) thành Hg (II) (lỏng) và Hg (II) (hạt) trong các đám mâythể hiện một thể cơ chế mà theo đó các Hg(0) trong nguồn tự nhiên và nguồn nhântạo đi vào không khí có thể dẫn đến lắng đọng thủy ngân vào đất và nước Lắngđọng này có thể xảy ra xa nguồn do tốc độ hấp thu chậm của Hg trong đám mây

Có ý kiến cho rằng cơ chế này là rất quan trọng để giảm ô nhiễm thủy ngân trêntoàn cầu, trong khi lắng đọng ướt trực tiếp của Hg (II) từ nguồn nhân tạo là cơ chếquan trọng nhất để giảm ô nhiễm thủy ngân tại địa phương Khí Hg (II) lắng đọngvới tốc độ nhanh hơn sau khi thải ra so với hạt Hg (II), giả định rằng hầu hết cáchạt Hg có đường kính đường kính nhỏ hơn 1 mm Thời gian lưu trong khí quyển từ

½ - 2 năm đối với thủy ngân nguyên tố trong khi các dạng Hg(II) ít nhất là vài giờ

Có thể quá trình lắng đọng khô của Hg(0) xảy ra qua các dạng oxi hóa của nguyên

tố thủy ngân diễn ra trên bề mặt ướt Sự chênh lệch lớn trong thời gian lưu trongkhí quyển giữa Hg(0) và các dạng thủy ngân khác dẫn đến quy mô rất lớn hơnnhiều của vận chuyển và lắng đọng cho Hg(0) Thông thường, khí thải của Hg(0)

từ các nguồn nhân tạo, lượng Hg(0) từ đất bị ô nhiễm và các vùng nước tự nhiên,tất cả các đóng góp vào một hồ chứa thủy ngân trong khí quyển toàn cầu với thờigian lưu trữ từ ½ đến 2 năm Hệ thống lưu thông khí quyển toàn cầu có thể phátthải Hg từ điểm ban đầu mang chúng đến mọi nơi trên thế giới trước khi quá trìnhvận chuyển dạng và lắng đọng xảy ra Sự phát thải của tất cả các dạng thủy ngân

có thể sẽ được lắng đọng vào bề mặt trái đất trước khi chúng phát tán vào bầukhông khí.

e Quá trình lắng đọng của Mercury

Các chất hóa trị 2 được thải ra , trong pha khí hoặc pha hạt bị loại bỏ trong khíquyển nhanh hơn nhiều so với nguyên tố thủy ngân Thủy ngân hóa trị 2 ở dạng khí

và dạng hạt đều lắng đọng khô ( lắng đọng không có mưa ) tại một tỉ lệ đáng kể.Tốc độ lắng đọng của các hạt thủy ngân phụ thuộc vào điều kiện khí quyển và kíchthước hạt Hạt thủy ngân cũng được cho là bị lắng đọng ướt do đám mây và lượngmưa mang theo Thủy ngân hóa trị II ở dạng khí được thải ra cũng bị dễ dàng mangtheo bởi mưa Những loại thủy ngân hóa trị hai có hằng số henry thấp hơn so vớinguyên tố thủy ngân thông thường, do đó tan nhiều trong pha nước Lắng đọng khôcủa thủy ngân hóa trị 2 ở pha khí cũng rất đáng kể do các phản ứng của nó với chấtliệu bề mặt Nói chung, thủy ngân hóa trị 2 ở pha phí bị loại bỏ nhanh chóng vàhiệu qua hơn bởi các quá trình lắng đọng khô và ướt so với pha hạt là do phản ứng

và khả năng hòa tan trong nước của khí thủy ngân hóa trị 2 Ngược lại, hơi nguyên

tố thủy ngân được cho là không bị ảnh hưởng với bất kỳ quá trình chính của lắngđọng trực tiếp đến bề mặt trái đất do áp suất hơi tương đối cao và tan ít trong nước.Trên bề mặt không đồng nhất nguyên tố thủy ngân lắng đọng không đáng kể, vàmặc dù nguyên tố thủy ngân có thể được hình thành trong đất và nước do sự giảmcủa dạng thủy ngân hóa trị II bằng cơ chế khác nhau, thủy ngân nguyên tố nàyđược cho là sẽ bay hơi vào khí quyển Trong thực tế, việc tạo ra tại chỗ và tích tụcủa nguyên tố thủy ngân có thể cung cấp một vai trò đệm trong hệ thống nước, vìđiều này sẽ giới hạn lượng thủy ngân hóa trị II có sẵn cho methyl hóa Nước chứamột lượng khí nguyên tố thủy ngân hòa tan nhưng nó rất ít so với hàm lượng thuỷngân dạng hạt và dạng oxy hóa hòa tan Sự lắng đọng của nguyên tố thủy ngân cònthông qua sự hấp thu của cây lá Lindberg (1992) chỉ ra rằng tán cây rừng có thểtích lũy nguyên tố hơi thủy ngân qua khí khổng tại bề mặt lá theo sau là sự đồnghóa thủy ngân bên trong lá trong suốt thời gian cây được chiếu sáng Quá trình nàygây ra một lượng nguyên tố thủy ngân từ không khí bị lắng đọng, kết quả là sựlắng đọng diễn ra nhanh chóng Bằng chứng gần đây chỉ ra rằng điều này khôngxảy ra nhưng chỉ khi nồng độ trong không khí của nguyên tố thủy ngân vượt quámức cân bằng cho hệ sinh thái rừng địa phương Khi nồng độ Hg trong không khíthấp, rừng xuất hiện để hoạt động như một nguồn phát thải thủy ngân nguyên tốvào bầu không khí, với lượng thủy ngân đo trực tiếp ở phía trên Lưu ý rằng, điều

này có thể được giải thích bởi sự bay hơi của nguyên tố thủy ngân từ hệ thống tánhoặc đất, nhưng hầu hết là đất Hanson et al (1994) cho rằng "các bề mặt lá khôtrong cảnh quan rừng trên mặt đất không là mạng lưới tích trữ cho nguyên tố thủyngân trong khi quyển lắng đọng xuống, mà là một bề mặt trao đổi động lực có thểhoạt động như một nguồn hoặc bồn chứa phụ thuộc vào nồng độ hơi thủy ngânhiện tại, nhiệt độ lá, điều kiện bề mặt (ướt hoặc khô) và mức độ oxy hóa trong khíquyển” Tương tự như vậy, Mosbaek et al (1988) cho thấy rằng hầu hết thủy ngântrong lá là do không khí chuyển cho , nhưng chỉ trong một khoảng thời gian xácđịnh tại đó lượng nguyên tố thủy ngân thải ra từ plant-soil system vượt xa số thuđược từ không khí của thực vật Giống như là nhiều hệ thống thực vật/ đất tích tụthủy ngân trong không khí khi nồng độ Hg trong không khí cao hơn mức trungbình dài hạn ở từng vị trí cụ thể , và giải phóng nguyên tố thủy ngân khi nồng độ

Hg trong không khí giảm xuống dưới mức trung bình dài hạn tại nơi đó Trên quy

mô khu vực và toàn cầu, lắng đọng khô của nguyên tố thủy ngân không được coi là

1 con đường quan trọng để loại bỏ thủy ngân trong khí quyển ,mặc dù khoảng hơn95% thủy ngân trong khí quyển là nguyên tố thủy ngân (Fitzgerald, 1994) Đây làchỉ là một con đường gián tiếp, nhưng nhờ nó nguyên tố hơi thủy ngân đã phát thảivào khí quyển có thể được loại bỏ hoặc giữ lại bề mặt của trái đất Phản ứng hóahọc xảy ra trong pha lỏng (hạt mây) làm oxy hóa thủy ngân nguyên tố thành thủyngân hóa trị 2 và giảm thủy ngân hóa trị 2 chuyển thành nguyên tố thủy ngân Mộttrong các phản ứng quan trọng nhất của sự giảm cân bằng oxy hóa trong nước làquá trình oxy hóa của nguyên tố thủy ngân bởi ozon , sự giảm thủy ngân hóa trị 2bởi ion sulfite(SO) Hoặc sự tạo phức của thủy ngân hóa trị 2 với bồ hóng để tạothành hạt thủy ngân hóa trị 2:

Hg0 (g) -> Hg0 (aq)

Hg0 (aq) + O3 (aq) -> Hg (II) (aq)

Hg (II) (aq) + muội / bồ hóng -> Hg (II) (p)

Hg (II) (aq) + SO32- (aq) -> Hg (aq)

(g) = phân tử dạng khí

(aq) = phân tử dạng lỏng

(p) = phân tử dạng rắn (hạt)