Nghiên cứu phân tích và đánh giá hàm lượng kim loại nặng ở các pha khác nhau trong môi trường nước và trầm tích sông thuộc tỉnh hải dương

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Vũ Huy Thơng NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HÀM LƯỢNG KIM LOẠI NẶNG Ở CÁC PHA KHÁC NHAU TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC VÀ TRẦM TÍCH SƠNG THUỘC TỈNH HẢI DƯƠNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Hà Nội - 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Vũ Huy Thơng NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HÀM LƯỢNG KIM LOẠI NẶNG Ở CÁC PHA KHÁC NHAU TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC VÀ TRẦM TÍCH SƠNG THUỘC TỈNH HẢI DƯƠNG Chun ngành: Mã số: Hóa phân tích 62442901 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Tạ Thị Thảo TS Trịnh Anh Đức Hà Nội - 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án “Nghiên cứu phân tích đánh giá hàm lƣợng kim loại nặng pha khác mơi trƣờng nƣớc trầm tích sơng thuộc tỉnh Hải Dƣơng” cơng trình nghiên cứu thân Tất thông tin tham khảo dùng luận văn lấy từ cơng trình nghiên cứu có liên quan đƣợc nêu rõ nguồn gốc danh mục tài liệu tham khảo Các kết nghiên cứu đƣa luận văn hoàn toàn trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khoa học khác Ngày 21 tháng 12 năm 2017 TÁC GIẢ Vũ Huy Thông LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Tạ Thị Thảo - Bộ mơn Hóa Phân tích, Khóa Hóa học, Trƣờng Đại học KHTN - Đại học Quốc Gia Hà Nội TS Trịnh Anh Đức - Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam tận tình hƣớng dẫn giúp đỡ tơi suốt thời gian thực luận án Cơng trình đƣợc hồn thành nhờ hỗ trợ kinh phí từ đề tài “ Phân tích đánh giá nguồn gốc, trao đổi biến đổi hàm lƣợng kim loại nặng chất dinh dƣỡng môi trƣờng nƣớc, trầm tích hạ lƣu lƣu vực sơng Cầu, địa phận tỉnh Hải Dƣơng” quỹ Nafosted tài trợ, mã số 104.04-2013.37 Để hoàn thành đƣợc luận án này, cố gắng nỗ lực học hỏi nghiên cứu thân, nhận đƣợc giúp đỡ nhiệt tình đóng góp nhiều ý kiến bổ ích thầy, giáo, bạn sinh viên khoa Hóa - Trƣờng Đại học KHTN để tơi hồn thiện luận án Cuối cùng, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình tơi, đồng chí lãnh đạo, đồng nghiệp trƣờng Đại học PCCC bên cạnh, động viên tạo điều kiện để tơi hoàn thành nội dung nghiên cứu Ngày 21 tháng 12 năm 2017 TÁC GIẢ Vũ Huy Thông MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan nhiễm kim loại nặng nƣớc, trầm tích địa điểm nghiên cứu 1.1.1 Ô nhiễm kim loại nặng nƣớc 1.1.2 Ô nhiễm kim loại nặng trầm tích 1.1.3 Trao đổi kim loại nặng nƣớc trầm tích 1.1.4 Tổng quan địa điểm nghiên cứu 1.1.4.1 Đặc điểm địa hình hệ thống thủy văn 1.1.4.2 Đặc điểm hoạt động công nghiệp, nông nghiệp 10 1.1.4.3 Hiện trạng môi trƣờng nƣớc sông tỉnh Hải Dƣơng 10 1.2 Nghiên cứu nƣớc chiết lỗ rỗng trầm tích 11 1.2.1 Khái niệm nƣớc chiết lỗ rỗng thiết bị lấy nƣớc chiết lỗ rỗng 11 1.2.2 Các yếu tố vật lý ảnh hƣởng đến cân peeper 13 1.2.3 Tình hình nghiên cứu kim loại nặng nƣớc chiết lỗ rỗng giới nƣớc 14 1.3 Xác định dạng liên kết kim loại trầm tích 16 1.3.1 Khái niệm, vai trò ứng dụng xác định dạng liên kết kim loại 16 1.3.2 Nguyên tắc quy trình chiết phân đoạn (SEP) 17 1.3.3 Một số quy trình chiết rút dạng liên kết kim loại 18 1.4 Phƣơng pháp xác định tổng hàm lƣợng kim loại nặng ICP-MS 22 1.4.1 Khái niệm phƣơng pháp ICP-MS 22 1.4.2 Các yếu tố ảnh hƣởng đến cƣờng độ vạch phổ phép đo ICP-MS 23 1.4.3 Một số nghiên cứu kim loại nặng phƣơng pháp ICP-MS 25 1.5 Một số phƣơng pháp đánh giá mức độ ô nhiễm kim loại nặng 25 1.5.1 Phân tích tƣơng quan hàm lƣợng kim loại nặng nƣớc trầm tích 26 1.5.2 Chỉ số ô nhiễm CF 26 1.5.3 Chỉ số đánh giá rủi ro RAC 27 1.5.4 Thông số đánh giá chất lƣợng trầm tích SQGs 28 1.6 Đánh giá nguồn gốc phát tán kim loại nặng 28 1.6.1 Phân tích thành phần (PCA) 29 1.6.2 Phân tích nhân tố (FA) 29 1.6.3 Phân tích nhóm (CA) 30 1.6.4 Ứng dụng phân tích thống kê đa biến xác định nguồn gốc, phân loại chất ô nhiễm môi trƣờng 31 Kết luận chương 33 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM 34 2.1 Hóa chất, dụng cụ thiết bị thí nghiệm 34 2.1.1 Hóa chất 34 2.1.2 Dụng cụ, thiết bị 35 2.2 Địa điểm lấy mẫu 36 2.3 Phƣơng pháp lấy mẫu 40 2.3.1 Mẫu nƣớc mặt 40 2.3.2 Mẫu nƣớc chiết lỗ rỗng 40 2.3.3 Mẫu trầm tích cột 42 2.4 Phân tích hàm lƣợng kim loại phƣơng pháp ICP-MS 43 2.4.1 Điều kiện đo thiết bị ICP - MS 43 2.4.1.1 Lựa chọn đồng vị đo phƣơng trình hiệu chỉnh 43 2.4.1.2 Lựa chọn dung dịch axit làm môi trƣờng mẫu 45 2.4.1.3 Khảo sát số thông số làm việc thiết bị 45 2.4.2 Đánh giá phƣơng pháp phân tích 46 2.4.2.1 Xây dựng đƣờng chuẩn 46 2.4.2.2 Giới hạn phát (LOD) giới hạn định lƣợng (LOQ) 46 2.4.2.3 Đánh giá độ xác 47 2.5 Xử lý thống kê số liệu phân tích 48 2.5.1 Đánh giá khác có nghĩa hàm lƣợng kim loại nặng theo độ sâu môi trƣờng nƣớc 49 2.5.2 Đánh giá tƣơng quan 50 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 51 3.1 Xác định đồng thời hàm lƣợng kim loại nặng phƣơng pháp ICP-MS 51 3.1.1 Tối ƣu hóa điều kiện đo thiết bị ICP-MS 51 3.1.1.1 Ảnh hƣởng công suất cao tần 51 3.1.1.2 Ảnh hƣởng thấu kính ion 52 3.1.1.3 Ảnh hƣởng lƣu lƣợng khí mang 53 3.1.2 Xác nhận giá trị sử dụng phƣơng pháp 55 3.1.2.1 Xây dựng đƣờng chuẩn 55 3.1.2.2 Giới hạn phát giới hạn định lƣợng 57 3.1.2.3 Độ xác phƣơng pháp 57 3.2 Đánh giá phân bố hàm lƣợng kim loại nặng nƣớc mặt 59 3.2.1 Hàm lƣợng kim loại nặng lớp nƣớc mặt độ sâu 15cm 59 3.2.2 Hàm lƣợng kim loại nặng nƣớc mặt độ sâu 30 cm 61 3.2.3 Hàm lƣợng kim loại nặng lớp nƣớc sát trầm tích 65 3.2.4 Đánh giá sai khác hàm lƣợng kim loại nƣớc mặt theo độ sâu 66 3.3 Phân bố hàm lƣợng kim loại nặng nƣớc chiết lỗ rỗng 67 3.3.1 Đánh giá hàm lƣợng trung bình kim loại nặng nƣớc chiết lỗ rỗng 67 3.3.2 So sánh hàm lƣợng trung bình kim loại nặng nƣớc mặt nƣớc chiết lỗ rỗng 70 3.3.3 Đánh giá tƣơng quan hàm lƣợng kim loại nặng nƣớc chiết lỗ rỗng điểm nghiên cứu 72 3.3.4 Phân bố hàm lƣợng kim loại nặng nƣớc chiết lỗ rỗng theo độ sâu 77 3.4 Phân bố kim loại nặng pha liên kết trầm tích cột 84 3.4.1 Nhóm Cd, Cu, Pb 91 3.4.2 Nhóm Fe, Mn 92 3.4.3 Nhóm Zn, Co, Ni, Cr 93 3.4.4 Phân tích tƣơng quan hàm lƣợng kim loại 93 3.5 Sự phân bố kim loại nặng nƣớc chiết lỗ rỗng trầm tích 94 3.6 Đánh giá mơi trƣờng trầm tích thơng qua số ô nhiễm môi trƣờng 97 3.6.1 Chỉ số ô nhiễm CF 97 3.6.2 Chỉ số đánh giá nguy môi trƣờng RAC 100 3.6.3 Thơng số đánh giá chất lƣợng trầm tích SQGs 102 3.7 Đánh giá nguồn gốc phân bố hàm lƣợng kim loại nặng 103 3.7.1 Đánh giá nguồn gốc kim loại nặng nƣớc lỗ rỗng 103 3.7.2 Đánh giá nguồn gốc kim loại nặng trầm tích 105 Kết luận chương 107 KẾT LUẬN 108 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO 110 PHỤ LỤC DANH MỤC VIẾT TẮT Chữ viết tắt BTNMT CCN KCN QCVN TCVN TEMED Tiếng Anh Peeper CF CA CRM DET DGT ERL ERM FA GCF ICF ICP- MS LEL LOD LOQ PCA PEL RAC RSD SEL SEP SQGs TEL WQI Contamination Factor Cluster analysis Certified Reference Material Diffusive equilibration in thin film Diffusive gradients in thin films Effects range low Effects range medium Factor analysis Global Contamination Factor Individual Contamination Factor Inductively coupled plasma Mass spectrometry Lowest effect level Limit of detection Limit of quantification Principal component analysis Probable effects level Risk assessment code Relative standard devition Severe effect level Sequential extraction procedure Sediment quality guidelines Threshold effects level Water quality index Tiếng Việt Bộ Tài nguyên Môi trƣờng Cụm công nghiệp Khu công nghiệp Quy chuẩn Việt Nam Tiêu chuẩn Việt Nam Chất TetraMetyletyldiamin Dụng cụ lấy mẫu nƣớc chiết lỗ rỗng trầm tích Chỉ số nhiễm Phân tích nhóm Mẫu chuẩn Khuếch tán cân màng mỏng Khuếch tán gradien màng mỏng Phạm vi ảnh hƣởng thấp Phạm vi ảnh hƣởng trung bình Phân tích nhân tố Chỉ số ô nhiễm chung Chỉ số ô nhiễm riêng Phổ khối cảm ứng cao tần plasma Mức ảnh hƣởng thấp Giới hạn phát Giới hạn định lƣợng Phân tích thành phần Mức ảnh hƣởng ngẫu nhiên Chỉ số đánh giá nguy ô nhiễm môi trƣờng Độ lệch chuẩn tƣơng đối Mức ảnh hƣởng nghiêm trọng Quy trình chiết phân đoạn liên tục Thơng số chất lƣợng trầm tích Mức ngƣỡng ảnh hƣởng Chỉ số chất lƣợng nƣớc DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Tốc độ đạt trạng thái cân 12 Hình 1.2 Các thiết kế peeper 12 Hình 2.1 Dụng cụ lấy mẫu nước lỗ rỗng trầm tích (peeper) 35 Hình 2.2 Thiết bị ICP - MS (ELAN 9000) 36 Hình 2.3 Lị vi sóng Speedwave 36 Hình 2.4 Địa điểm lấy mẫu 37 Hình 2.5 Quy trình chiết phân đoạn 42 Hình 2.6 Quy trình phân tích tổng hàm lượng kim loại mẫu trầm tích 43 Hình 3.1 Ảnh hưởng cơng suất nguồn đến tín hiệu phổ 52 Hình 3.2 Ảnh hưởng thấu kính đến tín hiệu phổ 53 Hình 3.3 Ảnh hưởng lưu lượng khí mang đến tín hiệu phổ 54 Hình 3.4 Đường chuẩn nguyên tố nghiên cứu ICP-MS Elan 9000 56 Hình 3.5 Hàm lượng trung bình kim loại nặng nước mặt nước chiết lỗ rỗng vị trí lấy mẫu 71 Hình 3.6 Đồ thị biểu diễn tương quan điểm lấy mẫu 74 Hình 3.7 Số điểm tương quan cặp kim loại nước chiết lỗ rỗng 76 Hình 3.8 Hàm lượng (ppb) Cu, Pb, Cd, Co, Ni, Cr theo độ sâu (cm) điểm S23, S24, S25L1, S26, S29, S34 78 Hình 3.9 Hàm lượng (ppb) Cu, Pb, Cd, Co, Ni, Cr theo độ sâu (cm) điểm S5, S11, S15, S22, S25L2, S31 79 Hình 3.10 Hàm lượng (ppb) Fe, Mn, Zn theo độ sâu (cm) điểm S23, S24, S25L1, S26, S29, S34 80 Hình 3.11 Hàm lượng (ppb) Fe, Mn, Zn theo độ sâu (cm) điểm S5, S11, S15, S22, S25L2, S31 81 Hình 3.12 Đồ thị hàm lượng (ppb) kim loại nhóm nồng độ cao (Fe, Mn, Zn) theo độ sâu 12 điểm lấy mẫu 83 Hình 3.13 Đồ thị hàm lượng (ppb) kim loại nhóm nồng độ thấp (Cu, Pb, Ni, Co, Cr, Cd) theo độ sâu 12 điểm lấy mẫu 84 Hình 3.14 Biểu đồ phần trăm pha liên kết kim loại trầm tích điểm lấy mẫu (S5, S11, S15, S22, S25L2, S31) theo qui trình tách phân đoạn pha liên kết theo độ sâu: 10 cm; 20 cm; 30 cm 40 cm 90 Hình 3.15 Chỉ số nhiễm 99 Hình 3.16 RAC điểm nghiên cứu thống kê lập biểu đồ cột độ sâu khác 101 Hình 3.17 Trọng số logM cấu tử ban đầu (M: kim loại nặng) 104 Hình 3.18 Trọng số hàm lượng kim loại cấu tử ban đầu 105 ... TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Vũ Huy Thơng NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HÀM LƯỢNG KIM LOẠI NẶNG Ở CÁC PHA KHÁC NHAU TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC VÀ TRẦM TÍCH SƠNG THUỘC TỈNH HẢI... Tôi xin cam đoan luận án ? ?Nghiên cứu phân tích đánh giá hàm lƣợng kim loại nặng pha khác mơi trƣờng nƣớc trầm tích sơng thuộc tỉnh Hải Dƣơng” cơng trình nghiên cứu thân Tất thông tin tham khảo... kim loại nặng lớp nƣớc sát trầm tích 65 3.2.4 Đánh giá sai khác hàm lƣợng kim loại nƣớc mặt theo độ sâu 66 3.3 Phân bố hàm lƣợng kim loại nặng nƣớc chiết lỗ rỗng 67 3.3.1 Đánh giá