2.3.4.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Kính hiển vi điện tử quét (tiếng Anh: Scanning Electron Microscope, thƣờng viết tắt là SEM), là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử (chùm các electron) hẹp quét trên bề mặt mẫu. Việc tạo ảnh của mẫu vật đƣợc thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tƣơng tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật. Độ phân giải của SEM đƣợc xác định từ kích thƣớc chùm điện tử hội tụ, mà kích thƣớc của chùm điện tử này bị hạn chế bởi quang sai, chính vì thế mà SEM khơng thể đạt đƣợc độ phân giải tốt nhƣ TEM. Ngoài ra, độ phân giải của SEM còn phụ thuộc vào tƣơng tác giữa vật liệu tại bề mặt mẫu vật và điện tử. Khi điện tử tƣơng tác với bề mặt mẫu vật, sẽ có các bức xạ phát ra, sự tạo ảnh trong SEM và các phép phân tích đƣợc thực hiện thơng qua việc phân tích các bức xạ này. Chụp ảnh SEM có thể cho ta biết cấu trúc bề mặt vật liệu.
Hình 10. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi điện tử quét
2.3.4.3. Phương pháp chụp ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua TEM
Kính hiển vi điện tử truyền qua (tiếng Anh: transmission electron microscopy, viết tắt: TEM) là một thiết bị nghiên cứu vi cấu trúc vật rắn, sử dụng chùm điện tử có năng lƣợng cao chiếu xuyên qua mẫu vật rắn mỏng và sử dụng các thấu kính từ để tạo ảnh với độ phóng đại lớn (có thể tới hàng triệu lần), ảnh có thể tạo ra trên màn huỳnh quang, hay trên film quang học, hay ghi nhận bằng các máy chụp kỹ thuật số. Xét trên nguyên lý, ảnh của TEM vẫn đƣợc tạo theo các cơ chế quang học, nhƣng tính chất ảnh tùy thuộc vào từng chế độ ghi ảnh. Điểm khác cơ bản của ảnh TEM so với ảnh quang học là độ tƣơng phản khác so với ảnh trong kính hiển vi quang học và các loại kính hiển vi khác. Nếu nhƣ ảnh trong kính hiển vi quang học có độ tƣơng phản chủ yếu đem lại do hiệu ứng hấp thụ ánh sáng thì độ tƣơng phản của ảnh TEM lại chủ yếu xuất phát từ khả năng tán xạ điện tử. Chụp ảnh TEM có thể cho ta biết kích thƣớc các hạt ở kích cỡ nano.
Hình 12. Kính hiển vi điện tử truyền qua
a) Sơ đồ nguyên lý; b) Ảnh máy kính hiển vi điện tử truyền qua
2.3.4.4. Phương pháp phân tích diện tích bề mặt riêng theo BET
Diện tích bề mặt riêng có nhiều ý nghĩa khác nhau đối với chất rắn xốp hay không xốp. Đối với chất rắn khơng xốp thì diện tích bề mặt riêng là bề mặt ngồi, còn đối với chất rắn xốp thì diện tích bề mặt riêng là tổng diện tích bề mặt ngồi và bề mặt bên trong, Diện tích bề mặt bên trong là tổng diện tích của nhiều lỗ xốp và nó lớn hơn nhiều so với bề mặt bên ngoài. Phƣơng pháp BET sử dụng hấp phụ, giải hấp phụ vật lý
khí nitơ ở nhiệt độ 770K. Bề mặt riêng xác định theo phƣơng pháp BET là tích số của số
phân tử bị hấp phụ với tiết diện ngang của một phân tử chiếm chỗ trên bề mặt chất rắn.
Hình 13. Máy phân tích diện tích bề mặt riêng theo BET
2.3.5. Phương pháp bố trí thí nghiệm khảo sát khả năng xử lý của Fe0 nano với nước bị gây nhiễm DDT nhân tạo
Với mục đích xác định cơ chế phản ứng khử của Fe0 nano đối với DDT, nghiên
cứu đã bố trí thí nghiệm cho Fe0 nano tác dụng trực tiếp với DDT đƣợc gây nhiễm nhân
khác nhau tiến hành phân tích lƣợng DDT cịn lại để xác định khả năng xử lý bởi Fe0 nano.
2.3.5.1. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu quả xử lý
Pha DDT vào dung dịch ethanol:nƣớc với tỷ lệ 1:10, dùng dung dịch đệm
CH3COONH4 điều chỉnh dung dịch về pH = 3, sau đó hịa tan và định mức để đƣợc
dung dịch có nồng độ DDT là 35 mg/l. Lấy 8 bình tam giác 100 ml chia đều thành 2
nhóm và hút vào mỗi bình 15ml dung dịch trên. Cân chính xác 0,01g Fe0 nano cho vào
4 bình tam giác nhóm 1. Các bình tam giác cịn lại không cho Fe0 nano để làm đối
chứng. Sau thời gian 3h, 10h, 17h, 24h dung dịch đƣợc đem đi phân tích lƣợng DDT
cịn lại (cả mẫu có Fe0
nano và mẫu đối chứng) bằng phƣơng pháp phân tích sắc ký khí.
2.3.5.2. Ảnh hưởng của pH dung dịch đến hiệu quả xử lý
Pha DDT vào dung dịch ethanol:nƣớc với tỷ lệ 1:10, dùng các dung dịch đệm
CH3COONH4 có pH = 3, 5 và 7 để điều chỉnh dung trên về pH = 3; 5 và 7 sau đó hịa
tan và định mức để đƣợc các dung dịch có nồng độ DDT là 35 mg/l. Lấy 6 bình tam giác 100 chia đều thành 2 nhóm và hút vào mỗi bình 15ml dung dịch trên. Cân chính
xác 0,01g Fe0 nano (tƣơng ứng với tỷ lệ Fe0 nano/DDT là 19/1) cho vào 3 bình tam
giác nhóm 1. Các bình tam giác cịn lại khơng cho Fe0 nano để làm đối chứng. Sau thời
gian 17h các dung dịch đƣợc đem đi phân tích lƣợng DDT cịn lại (cả mẫu có Fe0 nano
và mẫu đối chứng) bằng phƣơng pháp phân tích sắc ký khí.
2.3.5. Phương pháp bố trí thí nghiệm để xác định một số yếu tố ảnh hưởng tới khả năng xử lý DDT trong đất
- Thí nghiệm 1: Khảo sát ảnh hƣởng của thời gian tới hiệu quả xử lý
Cố định hàm lƣợng Fe0
nano trong mẫu xử lý, thử nghiệm hiệu quả xử lý của
Fe0 nano theo thời gian: 5 ngày, 10 ngày, 15 ngày, 20 ngày. Mẫu đất sau khi xử lý
đƣợc phân tích xác định hàm lƣợng DDT bằng phƣơng pháp phân tích sắc ký khí. 0
Hàm lƣợng Fe0 nano đƣợc đƣa vào mẫu nghiên cứu sao cho tỷ lệ của Fe0
nano/DDT là 0 (đối chứng, không bổ sung Fe0 nano); 2; 4, 8 và 12 lần. Căn cứ vào kết
quả khảo sát ảnh hƣởng của thời gian (thí nghiệm 1) để lựa chọn thời điểm lấy mẫu và phân tích lại hàm lƣợng DDT cịn lại bằng phƣơng pháp sắc ký khí.
- Thí nghiệm 3: Khảo sát ảnh hƣởng của của pH đất tới hiệu quả xử lý.
Các mẫu nghiên cứu đƣợc thay đổi pH đất tại các giá trị 3, 5 và 7. Đất sau khi thay đổi giá trị pH đƣợc để trong điều kiện tự nhiên trong 7 ngày. Sau đó căn cứ vào
kết quả khảo sát ảnh hƣởng của hàm lƣợng Fe0 nano (thí nghiệm 2) để lựa chọn hàm
lƣợng Fe0 nano cần thiết đƣa vào đất. Căn cứ và kết quả khảo sát ảnh hƣởng của thời
gian (thí nghiệm 1) để lựa chọn thời điểm lấy mẫu và phân tích lại hàm lƣợng DDT cịn lại bằng phƣơng pháp sắc ký khí.
- Thí nghiệm 4: Khảo sát ảnh hƣởng của axit humic trong đất tới quá trình xử lý Đất nghiên cứu đƣợc thay đổi hàm lƣợng axit humic bằng cách bổ sung thêm axit humic với lƣợng 50; 100; 200 và 400 % lƣợng axit humic ban đầu. Sau đó căn cứ
vào kết quả khảo sát ảnh hƣởng của hàm lƣợng Fe0
nano (thí nghiệm 3) để lựa chọn
hàm lƣợng Fe0
nano cần thiết đƣa vào đất. Căn cứ và kết quả khảo sát ảnh hƣởng của thời gian (thí nghiệm 1) để lựa chọn thời điểm lấy mẫu và phân tích lại hàm lƣợng DDT cịn lại bằng phƣơng pháp sắc ký khí.
2.3.6. Phương pháp bố trí thí nghiệm xử lý DDT trong đất ơ nhiễm ngồi thực địa
- Bố trí thí nghiệm xử lý DDT trong đất bằng phƣơng pháp chuyển vị (ex-situ) Tại nền kho chứa hóa chất bảo vệ thực vật thuộc thơn Hƣơng Vân, xã Lạc Vệ, huyện Tiên Du, tỉnh Bắc Ninh, nghiên cứu sẽ bố trí đào một hố thí nghiệm với kích thƣớc 2 x 1 x 1 m (chiệu dài, rộng và sâu). Đất đào lên đƣợc trộn đều với dung dịch chứa
Fe0 nano đã đƣợc chuẩn bị sẵn. Sau đó đƣợc đƣa trả lại hố thí nghiệm vừa đào đã đƣợc
bố trí bởi các lớp nilơng để chống thấm. Đất sau khi bố trí thí nghiệm thì cứ sau 15 ngày lấy mẫu về phịng thí nghiệm để xác định lại hàm lƣợng DDT cịn lại trong đất.
- Bố trí thí nghiệm xử lý DDT trong đất bằng phƣơng pháp tại chỗ (in-situ) Tại nền kho chứa hóa chất bảo vệ thực vật thuộc thơn Hƣơng Vân, xã Lạc Vệ, huyện Tiên Du, tỉnh Bắc Ninh, đề tài sẽ bố trí một ơ đất thí nghiệm với kích thƣớc 2 x 2 x 1 m (chiều dài, rộng và sâu). Dùng khoan đất để khoan các lỗ có đƣờng kính khoảng 30 cm tới các độ sâu 1 m. Các lỗ khoan đƣợc bố trí xen kẽ nhau và cách nhau một khoảng 30 cm (xem Hình 14 và 15). Sử dụng các ống nhựa tiền phong cứng có đƣờng kính 27 mm, đƣợc khoan thủng bởi các lỗ nhỏ ở thành ống và đáy ống đƣợc bịt kín. Đƣa các ống nhựa này vào các lỗ đã khoan sẵn. Đổ dung dịch chứa sắt nano đã đƣợc chuẩn bị sẵn vào các ống nhựa để cho dung dịch chứa sắt nano có thể thấm dần vào trong đất ơ nhiễm. Đất sau khi đƣợc bố trí thí nghiệm thì cứ sau 15 ngày lấy mẫu về phịng thí nghiệm để xác định lại hàm lƣợng DDT còn lại trong đất. Mẫu đƣợc lấy tại hai tầng 0-50 cm và 50 – 100 cm.
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1. Một số tính chất cơ bản của mẫu đất nghiên cứu 3.1. Một số tính chất cơ bản của mẫu đất nghiên cứu
Xử lý ô nhiễm DDT trong đất bằng Fe0 nano chịu ảnh hƣởng rất nhiều của tính
chất cơ bản của mẫu đất nghiên cứu. Vì vậy, nghiên cứu đã phân tích một số tính chất cơ bản của đất theo các phƣơng pháp đã trình bày trong mục 2.3.1. Kết quả nghiên cứu đƣợc thể hiện ở Bảng 5
Bảng 5. Kết quả phân tích một số tính chất cơ bản của mẫu đất nghiên cứu
3.1.1. pH
Độ chua của đất hay pH đất là một yếu tố quan trọng nó khơng những là mơi trƣờng sống của cây mà nó cịn ảnh hƣởng đến nhiều tính chất khác của đất nhƣ tính dễ tiêu của các chất dinh dƣỡng, phản ứng hóa học của đất. Đất Việt Nam thuộc nhóm đất
nhiệt đới vì vậy đất thƣờng bị chua, nồng độ ion H+, Al3+ trong dung dịch đất hoặc
trong các phức hệ đất thƣờng cao.
Mẫu đất nghiên cứu có giá trị pH= 3,46, ở mức rất chua so với thang đánh giá.
Nồng độ H+ trong đất cao ảnh hƣởng rất lớn đến hiệu quả xử lý DDT trong đất, do Fe0
TT Thơng số phân tích (đơn vị ) Đất thôn Hƣơng Vân
1 pHKCl 3,46
2 Chất hữu cơ (%) 1,79
Cát (%) 71,32
3 Thành phần cơ giới Limon (%) 10,41
Sét (%) 18,27 4 CEC (mgđl/100g đất) 6,28 5 Axit humic (%) 0,080 6 NO3- (mg/100g) 3,372 7 P2O5 TS (%) 0,057 8 P2O5 dt (mg/100g) 0,243 9 Fe2+(mg/100g) 0,95 10 Al2O3 (%) 1,95 11 Fe2O3 (%) 1,68
nano bị tiêu tốn một lƣợng đáng kể để khử các cation linh động trong đất nhƣ Pb2+,
As3+, Ni... (thƣờng tồn tại rất cao khi đất chua). Tuy nhiên nó cũng là một điều kiện
thuận lợi cho quá trình xử lý DDT trong đất do nó là xúc tác cho phản ứng khử DDT
bằng Fe0
nano theo phƣơng trình phản ứng sau:
RCl + Fe0 + H+ RH + Fe2+
+ Cl-
3.1.2. Chất hữu cơ
Chất hữu cơ trong đất hình thành từ các hoạt động phân hủy các tàn tích hữu cơ của vi sinh vật trong đất. Chúng là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá độ phì đất, chất hữu cơ đƣợc ví nhƣ kho chứa dinh dƣỡng của đất. Trong đất chất hữu cơ thƣờng chiếm từ 1- 5%, ở đất vùng nhiệt đới hàm lƣợng chất hữu cơ thƣờng thấp hơn nhiều so với vùng ôn đới. Chất hữu cơ ảnh hƣởng lớn đến nhiều tính chất khác của đất. Chất hữu cơ là nguồn dự trữ nitơ quan trọng trong đất, tạo phức liên kết với nhiều kim loại và các chất dinh dƣỡng đa lƣợng, vi lƣợng trong đất, làm giảm độc tính của các kim loại nặng và tăng khả năng giữ chất dinh dƣỡng của đất.
Trong mẫu đất nghiên cứu hàm lƣợng chất hữu cơ là 1,79%, ở mức nghèo so với thang đánh giá. Cùng với giá trị pH thấp, hàm lƣợng chất hữu cơ tổng số thấp đã tạo điều kiện thuận lợi cho tính linh động của các kim loại nặng trong đất, làm tiêu tốn
một lƣợng đáng kể Fe0 nano đƣa vào đất để xử lý DDT. Tuy nhiên, hàm lƣợng chất
hữu cơ thấp nó cũng làm cho sự hấp phụ chặt DDT trong đất kém nên cũng tạo điều
kiện thuận lợi cho Fe0 nano có thể xử lý dễ dàng DDT trong đất.
3.1.3. Thành phần cơ giới
Thành phần cơ giới là tỷ lệ phần trăm các cấp hạt cát (0,02- 2mm), limon (0,002-0,02mm) và sét (< 0,002mm) trong đất. Đất nghiên cứu có tỷ lệ cát là 71,32%, limon là 10,41 %, sét là 18,27 %, theo phƣơng pháp phân loại và đánh giá thành phần cơ giới của Mỹ mẫu đất nghiên cứu thuộc loại đất thịt pha cát. Đất có thành phần cơ giới khá nhẹ thành phần cấp hạt cát chiếm tới 71,32%. Thành phần cơ giới nhẹ là một
trong những điều kiện thuận lợi cho Fe0 nano phân tán nhanh và đều trong đất, dễ dàng tiếp xúc với DDT.
3.1.4. Dung tích hấp phụ cation (CEC)
CEC là viết tắt của dung tích trao đổi cation của đất hay khả năng trao đổi cation (cation exchange capacity) là lƣợng ion lớn nhất mà đất hấp phụ có khả năng trao đổi và đƣợc biểu thị bằng mgđl/100g đất. CEC cho thấy khả năng hấp phụ của đất đối với các chất khi đƣợc đƣa vào đất (trong nghiên cứu này là DDT), chúng chủ yếu do các keo trong đất thực hiện nhƣ khoáng sét, chất hữu cơ… Khi bổ sung DDT vào đất nếu CEC lớn thì khả năng giữ các chất đó sẽ chặt hơn và sẽ giảm khả năng khuếch tán của
DDT đến bề mặt hạt Fe0
nano để phản ứng. Mẫu đất nghiên cứu có CEC= 6,25 mgđlg/100g đất, ở mức nhỏ so với thang đánh giá, chứng tỏ đất có khả năng giữ và trao đổi cation khơng lớn nên CEC của đất nghiên cứu nhìn chung ít ảnh hƣởng đến phản
ứng của Fe0
nano với DDT trong đất.
3.1.5. Hàm lượng nitrat (NO3-)
Nitrat là một trong 2 dạng nitơ dễ tiêu đối với cây trồng. NO3– trong đất cao nó
ảnh hƣởng lớn đến sự rửa trôi nitrat xuống nƣớc ngầm, gây ô nhiễm nguồn nƣớc ngầm và ảnh hƣởng đến sức khỏe của con ngƣời, đặc biệt ở trẻ em. Hàm lƣợng nitrat trong
đất cao nó cịn ảnh hƣởng đến khả năng xử lý DDT do NO3-
là anion mà Fe0 nano có
khả năng khử rất tốt, vì vậy khi cho Fe0 nano vào một phần Fe0 nano bị hao hụt do
đƣợc sử dụng để khử nitrat. Hàm lƣợng nitrat trong mẫu đất nghiên cứu là 3,372 mg/100g, ở mức trung bình vì vậy ít nhiều nó cũng ảnh hƣởng đáng kể đến hiệu quả xử lý DDT.
3.1.6. Hàm lượng phốt pho tổng số và dễ tiêu
Phốt pho có tác dụng rất quan trọng trong dinh dƣỡng thực vật, đặc biệt đối với quả và hạt, phốt pho cấu tạo nên hợp chất dự trữ năng lƣợng ATP, ADP, AMP và là nguyên tố quan trọng để tạo nên vật chất di truyền. Cây trồng ở đất nếu thiếu phốt pho,
giai đoạn đầu cây sẽ cằn cỗi và ít phân nhánh, lá cứng xuất hiện các đốm tím bên trong và rìa lá có màu xanh đậm, đặc biệt bộ rễ kém phát triển, sự hình thành quả hạt bị hạn chế và năng suất giảm. Trong đất, quá trình cố định phốt pho rất lớn, vì vậy phốt pho chủ yếu tồn tại ở dạng cố định (98%); phốt pho trao đổi và hồ tan rất ít (2%). Đất
nghiên cứu có hàm lƣợng P2O5 tổng số là 0,057%, ở mức nghèo so với thang đánh giá.
Phốt pho dễ tiêu trong đất chủ yếu là dạng hồ tan trong dung dịch đất ở mơi
trƣờng từ axit yếu đến bazơ yếu. Phốt pho dễ tiêu trong đất nếu tồn tại dƣới dạng PO43-,
là một trong những anion gây cản trở quá trình xử lý DDT trong đất bởi Fe0 nano. Vì
khi bổ sung Fe0