Nghiên cứu sử dụng một số khoáng vật nhóm zeolite và bentonite để hạn chế tính linh động của kim loại pb trong đất nông nghiệp khu vực huyện văn lâm tỉnh hưng yên

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN NGỌC TÚ NGHIÊN CÚU SỬ DỤNG MỘT SỐ KHỐNG VẬT NHĨM ZEOLITE VÀ BENTONITE ĐỂ HẠN CHẾ TÍNH LINH ĐỘNG CỦA KIM LOẠI Pb TRONG ĐẤT NÔNG NGHIỆP KHU VỰC HUYỆN VĂN LÂM, TỈNH HƯNG YÊN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG Hà Nội - 2020 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN NGỌC TÚ NGHIÊN CÚU SỬ DỤNG MỘT SỐ KHỐNG VẬT NHĨM ZEOLITE VÀ BENTONITE ĐỂ HẠN CHẾ TÍNH LINH ĐỘNG CỦA KIM LOẠI Pb TRONG ĐẤT NÔNG NGHIỆP KHU VỰC HUYỆN VĂN LÂM, TỈNH HƯNG YÊN Chuyên ngành: Môi trường đất nước Mã số: 9440301.02 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Nguyễn Ngọc Minh TS Trịnh Quang Huy Hà Nội - 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa công bố công trình khác Các kết quả, thơng tin tham khảo từ nghiên cứu khác trích dẫn đầy đủ, rõ ràng NGHIÊN CỨU SINH NGUYỄN NGỌC TÚ i LỜI CẢM ƠN Đầu tiên NCS xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc đến tập thể hướng dẫn khoa học PGS.TS Nguyễn Ngọc Minh TS Trịnh Quang Huy, người gợi mở cho NCS ý tưởng khoa học hướng dẫn suốt thời gian nghiên cứu luận án tất tâm huyết quan tâm người thầy đến nghiên cứu sinh Đặc biệt cảm ơn anh, chị, em Phịng thí nghiệm Bộ mơn Công nghệ Môi trường, Khoa Môi trường, Học viện Nông nghiệp Việt Nam Phịng thí nghiệm Bộ mơn Tài nguyên Môi trường đất, Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội giúp đỡ NCS nhiều sở vật chất, trang thiết bị thí nghiệm, số kỹ thuật phân tích, kiến thức thực nghiệm để NCS hồn thành chương trình nghiên cứu Cuối cùng, NCS xin cảm ơn gia đình, người thân ln động viên tinh thần, thời gian vật chất để NCS có thêm động lực cơng việc nghiên cứu khoa học NGHIÊN CỨU SINH NGUYỄN NGỌC TÚ ii MỤC LỤC Mục Trang LỜI CAM ĐOAN .i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .4 DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu .8 Mục tiêu nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn .10 Điểm luận án 11 Chương TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 12 1.1 Các nghiên cứu Pb đất .12 1.1.1 Đặc điểm hóa học, dạng tồn chuyển hóa Pb đất 12 1.1.2 Nguồn gốc gây ô nhiễm Pb đất 15 1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến trạng thái tồn Pb đất .19 1.1.4 Hút thu, tích lũy ảnh hưởng Pb thực vật 25 1.1.5 Biện pháp xử lý ô nhiễm Pb đất .30 1.2 Các nghiên cứu vật liệu khoáng Zeolite Bentonite .32 1.2.1 Vật liệu khoáng Zeolite 32 1.2.2 Vật liệu khoáng Bentonite 33 1.2.3 Các nghiên cứu kiểm soát kim loại nặng đất khoáng chất .34 1.3 Tổng quan khu vực nghiên cứu 39 1.3.1 Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội khu vực nghiên cứu 39 1.3.2 Làng nghề tái chế kim loại thôn Đông Mai, xã Chỉ Đạo 42 1.3.3 Hiện trạng ô nhiễm Pb đất khu vực nghiên cứu .43 Chương NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 47 2.1 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 47 2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 47 2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 47 2.2 Vật liệu nghiên cứu 47 2.2.1 Mẫu đất sử dụng nghiên cứu 47 2.2.2 Lúa, rơm rạ gạo sử dụng nghiên cứu 49 2.2.3 Mẫu vật liệu Zeolite Bentonite sử dụng nghiên cứu 50 2.3 Nội dung nghiên cứu 52 2.4 Các phương pháp nghiên cứu 52 2.4.1 Các phương pháp phân tích đất .52 2.4.2 Các phương pháp phân tích thực vật .56 2.4.3 Các phương pháp phân tích cấu trúc hình ảnh mẫu vật .57 2.4.4 Phương pháp bố trí thí nghiệm 58 2.4.5 Phương pháp tổng hợp kết xử lý thống kê 60 Chương KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 62 3.1 Tính chất đất hàm lượng Pb đất lúa khu vực nghiên cứu .62 3.1.1 Thành phần tính chất đất lúa nghiên cứu .62 3.1.2 Các dạng tồn Pb đất nghiên cứu 67 3.1.3 Dạng Pb cấu trúc silic thực vật đất lúa 69 3.2 Ảnh hưởng khoáng Zeolite Bentonite đến linh động Pb đất tích lũy Pb lúa 73 3.2.1 Ảnh hưởng khoáng Zeolite Bentonite đến Pb linh động đất .73 3.2.2 Ảnh hưởng khống Zeolite Bentonite đến tích lũy Pb lúa 80 3.2.3 Ảnh hưởng khoáng Zeolite Bentonite đến tích lũy Pb gạo 83 3.2.4 Ảnh hưởng khoáng Zeolite Bentonite đến sinh trưởng lúa 86 3.3 Vai trò lúa chuyển hóa Pb đất .95 3.3.1 Đặc điểm tích lũy Pb cấu trúc silic thực vật lúa .95 3.3.2 Vai trị lúa chuyển hóa Pb đất 99 3.3.3 Một số giải pháp hạn chế ảnh hưởng Pb đất lúa 104 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 108 Kết luận .108 Kiến nghị .109 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 110 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .111 PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Tiếng Việt Tiếng Anh ASi Silic vơ định hình Amorphous Silica CEC Dung tích trao đổi cation Cation Exchange Capacity DDT Hóa chất BVTV nhóm clo Dichlorodiphenyltrichloroethane A-xít Diethylien Triamon Diethylien Triamon Pentadiacetic DTPA Pentadiacetic Axit DSi Silic dạng hòa tan Dissolved silica EDDS Ethylene Diamine Disuccinate - EDTA A-xít Ethylene Diamine Tetraacetic Ethylene Diamine Tetraacetic Acid Energy-dispersive X-ray EDX Quang phổ tán xạ lượng tia X spectroscopy HDPyCl HexaDecylPyridinium Chloride - ICP Khối phổ cao tần cảm ứng plasma Inductively Coupled Plasma Các axit hữu khối lượng phân tử Low molecular weight organic LMWOAs thấp acids LOI Lượng nung Loss Of Ignition OM Chất hữu Organic matter Chì liên kết với cấu trúc silic thực - PhytPb vật PIXE Phát xạ tia X hạt tích điện Particle Induced X-Ray Emission SEM Kính hiển vi điện tử quét Scanning Electron Microscopy TEA Triethanolamin - TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua Transmission electron microscopy XRD Nhiễu xạ tia X X-Ray Diffraction XRF Quang phổ huỳnh quang tia X X-ray fluorescence DANH MỤC CÁC BẢNG Tên bảng Trang Bảng 1.1: Hàm lượng Pb tổng số đất rau khu vực nghiên cứu 44 Bảng 2.1: Vị trí tọa độ điểm lấy mẫu đất lúa nghiên cứu 48 Bảng 2.2: Một số đặc trưng vật liệu Zeolite 4A Zeolite Faujasite 50 Bảng 2.3: Tính chất khoáng Bentonite sử dụng nghiên cứu .51 Bảng 2.4: Nguyên tắc bố trí nghiệm thức thí nghiệm .59 Bảng 2.5: Các giai đoạn phát triển thông số đánh giá thí nghiệm 60 Bảng 2.6: Phương pháp phân tích đo đạc kết thí nghiệm 60 Bảng 3.1: Một số tính chất vật lý, hóa học đất nghiên cứu 62 Bảng 3.2: Bảng phân loại đất theo thành phần giới .63 Bảng 3.3: Thành phần hóa học đất lúa nghiên cứu 65 Bảng 3.4: Các dạng tồn Pb đất nghiên cứu 67 Bảng 3.5: Phân tích t-test giá trị trung bình Pb linh động đất, mg.kg-1 74 Bảng 3.6: Hàm lượng Pb tích lũy gạo sau thí nghiệm .84 Bảng 3.7: Độ dài khối lượng 1000 hạt lúa .91 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Tên hình vẽ, đồ thị Trang Hình 1.1: Các hợp chất vơ Pb đất .13 Hình 1.2: Mối quan hệ hàm lượng sét, CEC Pb linh động đất 15 Hình 1.3: Nguồn gốc Pb đất 16 Hình 1.4: Các dạng tồn kim loại đất tốc độ biến đổi .20 Hình 1.5: Đơn vị cấu trúc Zeolite A .33 Hình 1.6: Sơ đồ vị trí địa lý huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng Yên (tỷ lệ 1:10.000) 39 Hình 2.1: Sơ đồ vị trí lấy mẫu đất khu vực nghiên cứu 48 Hình 3.1: Kết phân tích thành phần giới đất nghiên cứu .64 Hình 3.2: Phổ nhiễu xạ tia X cấp hạt sét (< m) xử lý điều kiện khác nhau: (i) xử lý 550C, (ii) bão hòa với KCl, (iii) bão hịa với MgCl2 (iv) solvat hóa ethyleneglycol 66 Hình 3.3: Hàm lượng dạng tồn Pb mơi trường đất 68 Hình 3.4: Cấu trúc silic thực vật ("xương cây") thân lúa tái tạo nhờ công nghệ chụp cắt lớp siêu hiển vi (µCT) .69 Hình 3.5: Hàm lượng cấu trúc silic thực vật mẫu đất lúa 70 Hình 3.6: Hình thái cấu trúc silic thực vật đất ảnh SEM (a) .71 Hình 3.7: Hàm lượng Pb cấu trúc silic thực vật đất lúa 72 Hình 3.8: Hàm lượng Pb linh động đất công thức thí nghiệm .74 Hình 3.9: Biến động giá trị pHKCl cơng thức bổ sung khống 76 Hình 3.10: Biến động Pb linh động qua giai đoạn sinh trưởng 78 Hình 3.11: Hàm lượng Pb tích lũy cơng thức thí nghiệm .82 Hình 3.12: Tương quan mức bổ sung khoáng Bentonite tự nhiên (a) Bentonite biến tính (b) với hàm lượng Pb tích lũy lúa (n=15) 83 Hình 3.13: Tương quan mức bổ sung khoáng Zeolite 4A (c) Zeolite Faujasite (d) với hàm lượng Pb tích lũy lúa (n=15) 83 Hình 3.14: Chiều cao sinh trưởng lúa công thức thí nghiệm .87 125 Xian X (1989), "Effect of pH on chemical forms and plant availability of cadmium, zinc and lead in polluted soils", Water, Air and Soil Pollution 45: 265–273 126 Yan K., Dong Z., Wijayawardena M A., Liu Y., Naidu R., Semple K (2017), "Measurement of soil lead bioavailability and influence of soil types and properties: A review", Chemosphere 184: 27-42 127 Yang J.Y., Yang X.E., He Z.L., Li T.Q., Shentu J.L., Stoffella P.J (2006), "Effects of pH, organic acids, and inorganic ions on lead desorption from soils", Environmental Pollution 143(1): 9-15 128 Yu W., Cai J., Jiang Y., Jiang X., Zhang D (2013), "Preparation of biosilica structures from frustules of diatoms and their applications: current state and perspectives", Applied microbiology and biotechnology 97(2): 453-460 121 PHỤ LỤC PHỤ LỤC SỐ LIỆU SƠ CẤP KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM A/ Thành phần tính chất đất lúa khu vực nghiên cứu Bảng A.1: Một số tính chất lý hóa đất nơng nghiệp khu vực nghiên cứu Các mẫu đất nghiên cứu Thông số Đ1 Đ2 Đ3 Đ4 Đ5 Đ6 Đ7 Đ8 Đ9 Đ10 pHKCl 3,40 3,59 3,41 3,90 4,14 3,92 4,65 4,59 3,69 5,20 OM (%) 2,44 2,24 2,39 2,09 1,89 2,90 2,04 2,12 2,60 1,33 EC (S.cm-1) 305,3 339,3 234,3 163,3 178,7 165,2 129,5 156,2 163,5 92,6 CEC (meq.100g-1) 13 15,4 12,2 11,4 11,6 13,2 12,7 11,9 13,5 12,8 Bảng A.2: Thành phần giới đất lúa Tên mẫu TT % Sét % Limon % Cát Đ01 5,67 60,29 34,04 Đ02 5,00 56,43 38,57 Đ03 8,00 59,90 32,10 Đ04 7,00 56,05 36,95 Đ05 6,67 58,00 35,33 Đ06 4,67 53,86 41,48 Đ07 5,33 55,45 39,21 Đ08 8,00 63,13 28,87 Đ09 3,67 50,01 46,33 10 Đ10 6,33 60,92 32,75 Bảng A.3: Thành phần hóa học mẫu đất nghiên cứu Các mẫu đất nghiên cứu Nguyên tố Đ1 Đ2 Đ3 Đ4 Đ5 Đ6 Đ7 Đ8 Đ9 Đ10 Na 2.225 1.403 1.949 1.849 1.931 1.906 2.364 2.170 1.862 2.262 Mg 3.853 4.022 3.711 4.000 4.211 4.049 4.302 4.036 4.316 4.421 Al 45.766 48.234 48.363 51.781 53.356 50.487 52.529 49.867 51.991 52.882 Si 118.053 123.787 116.934 125.358 125.280 126.681 123.632 115.844 128.089 129.117 P 132,5 116,2 67,81 48,17 143,2 166,4 207,1 94,25 153,3 40,37 S 4.362 3.409 4.805 5.531 7.564 5.816 5.062 4.811 4.335 3.524 Cl 57,46 37,65 48,66 41,02 73,88 126,2 96,74 108,1 74,11 39,65 K 9.328 9.980 10.086 10.880 10.943 10.319 10.828 10.520 10.608 10.790 Ca 5.854 4.727 6.073 7.280 9.578 7.475 7.148 7.019 5.998 Mn 152,80 116,80 19,99 44,56 130,40 71,71 82,58 85,66 156,20 133,30 Fe 29.572 27.258 25.837 27.719 34.109 25.467 30.790 28.283 27.129 37.041 Pb 1.116 (mg.kg-1) 921,3 1.014 1.090 1.766 971,5 816,4 827,4 1.064 5.140 403,8 Bảng A.4: Các dạng tồn Pb mẫu đất khu vực nghiên cứu Các mẫu đất nghiên cứu, mg.kg-1 Dạng liên kết Đ1 Đ2 Đ3 Đ4 Đ5 Đ6 Đ7 Đ8 Đ9 Đ10 Trao đổi 166,9 154,0 180,6 153,4 164,6 87,4 50,7 55,0 101,3 29,6 Liên kết cacbonat 419,5 337,5 351,1 388,0 481,4 279,8 216,6 259,2 300,8 136,0 Liên kết Fe, Mn 233,4 178,8 190,5 234,0 353,6 223,3 175,1 198,5 217,1 100,5 Hàm lượng tổng 1.116 921 1.014 1.090 1.766 972 816 827 1.064 404 Bảng A.5: Hàm lượng cấu trúc silic mẫu đất khu vực nghiên cứu STT Kí hiệu Hàm lượng cấu trúc silic (g/kg) Lần Lần Lần Trung bình Đ01 7,11 5,07 6,59 6,26 Đ02 8,15 7,94 5,98 7,36 Đ03 14,07 8,00 9,34 10,47 Đ04 10,13 5,91 9,81 8,61 Đ05 8,51 2,95 7,35 6,27 Đ06 12,20 7,21 5,23 8,21 Đ07 2,76 4,76 3,71 3,74 Đ08 5,12 4,22 5,99 5,11 Đ09 10,44 8,46 6,30 8,40 10 Đ10 1,61 2,06 1,61 1,76 Bảng A.6: Hàm lượng Pb cấu trúc silic tách từ mẫu đất Hàm lượng Pb phytolith từ đất, mg.g-1 STT Ký hiệu mẫu Đ01 Đ02 Lần Lần Lần Trung bình 0,66 0,41 0,53 0,71 0,53 0,33 0,52 Đ03 0,42 0,37 0,50 0,43 Đ04 0,45 0,54 0,54 0,51 Đ05 0,78 0,62 0,70 0,70 Đ06 0,59 0,60 0,59 0,60 Đ07 0,94 0,45 0,63 0,67 Đ08 0,65 0,38 0,38 0,47 Đ09 0,68 0,30 0,45 0,48 10 Đ10 0,88 0,58 0,73 Bảng A.7: Thành phần hóa học mẫu tro phương pháp PIXE Mẫu tro rơm rạ nung nhiệt độ khác nhau, C Thông số (mg.kg-1) 400 500 600 700 800 900 1000 Na 20.177 24.458 23.410 17.786 12.963 19.450 28.358 Mg 25.532 25.594 26.431 28.792 26.416 20.723 18.389 Al 15.194 19.409 20.281 20.737 19.487 19.588 17.215 Si 254.283 275.390 281.856 276.232 262.515 241.713 216.603 P 21.372 23.103 21.763 21.913 20.044 17.875 16.729 S 5.987 10.373 9.571 6.153 3.404 2.948 1.970 Cl 1.203 1.625 2.199 1.408 343 142,6 83,55 K 29.617 39.427 42.950 43.800 46.088 49.835 54.199 Ca 31.693 33.887 34.062 35.847 32.173 28.467 28.426 Ti 649,9 799,6 954,2 930,8 880,9 807,2 779,1 Mn 4.206 4.263 4.749 4.601 4.637 4.059 3.649 Cr 24,36 41,3 32,98 35,7 28,63 25,3 25,42 Fe 10.690 14.709 15.890 18.859 12.449 13.816 11.655 Ni 13,63 11,76 22,94 18,11 22,3 20,57 15,17 Cu 206,1 243,5 259,2 322,2 293,8 233,2 266 Zn 1.113 1.254 1.166 1.326 1.184 993,7 894,9 Rb 174,4 199,6 275,7 200,9 272,2 253,4 217,9 Sr 108,7 87,36 126,7 91,61 99,21 91,66 71,36 Pb 569 705,6 723,3 765 528,2 329 264,2 B/ Hạn chế linh động Pb tác động khoáng silicate bổ sung Bảng B.1: Hàm lượng Pb linh động đất (mg.kg-1) theo cơng thức thí nghiệm TT Khống bổ sung Bentonite tự nhiên Bentonite biến tính Zeolite 4A Zeolite Faujasite Trung bình Đối chứng Mức Mức Mức Mức Mức Trung bình Hiệu suất 52,74 36,25 35,55 30,16 33,01 31,07 33,81 37,03% 59,81 36,25 35,2 34,7 34,12 32,71 34,60 42,16% 51,56 34,37 32,14 28,69 29,66 29,25 30,82 40,22% 51,64 31,85 30,5 30,65 30,02 28,96 30,40 41,14% 53,93 34,68 33,35 31,05 31,70 30,50 32,26 40,14% Bảng B.2: Khả kiểm soát Pb linh động đất (mg.kg-1) theo giai đoạn sinh trưởng TT Giai đoạn Bentonite TN Chuẩn bị Mạ Đẻ nhánh Vươn lóng Làm địng Trỗ bơng Chín 52,74 45,10 38,20 30,74 29,24 30,02 31,48 Bentonite Zeo4A BT 59,81 51,81 33,25 29,51 30,47 31,57 31,92 51,56 46,98 30,84 28,87 27,74 28,19 29,7 Zeo Faujasite Đối chứng 51,64 43,31 30,89 31,69 27,94 28,62 29,93 56,87 56,82 52,80 50,77 50,60 49,22 48,90 Bảng B.3: Kiểm định sai khác cơng thức bổ sung khống Bentonite TN Đối chứng Đối chứng Mức Mức Mức Mức Mức Mức Mức Mức Mức Mức 5,553E-42 5,790E-29 6,142E-30 1,479E-30 8,019E-31 0,024 2,059E-06 1,621E-05 5,967E-06 0,008 0,036 0,017 0,218 0,349 0,347 Bảng B.4: Kiểm định sai khác cơng thức bổ sung khống Bentonite BT Đối chứng Đối chứng Mức 1 Mức Mức Mức Mức 9,205E-49 5,051E-51 6,384E-52 4,554E-54 1,625E-56 Mức 1 0,115 0,038 0,006 2,335E-05 0,288 0,099 0,002 0,232 0,007 0,036 Mức Mức Mức Mức Bảng B.5: Kiểm định sai khác cơng thức bổ sung khống Zeolite 4A Đối chứng Đối chứng Mức Mức Mức Mức Mức 1,815E-23 1,511E-23 1,609E-28 9,676E-33 1,755E-31 0,301 0,009 0,004 3,735E-05 0,038 0,022 0,001 0,437 0,033 0,034 Mức Mức Mức Mức Mức Bảng B.6: Kiểm định sai khác cơng thức bổ sung khống Zeolite Faujasite Đối chứng Đối chứng Mức Mức Mức Mức Mức Mức Mức Mức Mức Mức 1,088E-56 1,808E-59 1,265E-62 3,856E-64 4,595E-63 0,018 0,020 0,001 4,413E-06 0,418 0,192 0,007 0,120 0,002 0,034 Bảng B.7: Kiểm định T-test sai khác có ý nghĩa hàm lượng Pb linh động cơng thức bón khống cơng thức đối chứng (khoáng Zeolite Faujasite) Đối chứng Mean Variance Mức 52,5944283 32,42022257 9,644439303 11,46088241 54 54 Observations Hypothesized Mean Difference df 105 t Stat 32,26987901 P(T