- Thu thập tài liệu nghiên cứu liên quan đến tình hình ô nhiễm các hợp chất hữu cơ độc hại trên thế giới và Việt Nam.
1.Chuẩn bị 2. Thiết lập điều kiện 3. Đo dung dịch chuẩn
4. Đăng kí thời gian lƣu của n-alkan từ C9-C33 Dữ liệu cho hệ GC-MS
5.Kiểm tra thành phần dữ liệu
6. Đánh giá kết quả đo dung dịch chuẩn
Đáp ứng tiêu chuẩn 7. Chuẩn bị mẫu đo
Phân tích dữ liệu
9.Chạy chƣơng trình đo mẫu 10. Xuất file kết quả
8. Tạo file chứa thời gian lƣu của dữ liệu Thời gian lƣu khối phổ đƣờng cong hiệu chuẩn
36
- Thu thập tài liệu liên quan đến các phƣơng pháp phân tích hợp chất hữu cơ (trên thiết bị sắc ký khí, sắc ký lỏng…)
- Xây dựng quy trình phân tích
- Đánh giá một số thông số kỹ thuật của phƣơng pháp (giới hạn phát hiện, giới hạn định lƣợng, độ thu hồi…)
- Tiến hành lấy mẫu và phân tích mẫu nƣớc thu thập đƣợc tại lƣu vực sông Hồng và đánh giá mức độ ô nhiễm.
37
Chƣơng 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả phân tích
3.1.1. Các kết quả phân tích thu được
Sau khi phân tích 14 mẫu nƣớc sông Hồng đƣợc lấy tại các điểm (Bảng 2.1) sử dụng thiết bị GC-MS kết hợp cơ sở dữ liệu AIQS cho thấy thu đƣợc 22 chất khác nhau cụ thể:
38
Bảng 3.1. Nồng độ các chất hữu cơ độc hại trong mẫu nƣớc tại các vị trí nghiên cứu
Compounds Red River
Hong san's code Red_1 Red_2 Red_3 Red_4 Red_5 Red_6 Red_7 Red_8 Red_9 Red_10 Red_11 Red_12 Red_13 Red_14
Naphthalene - - - 0.001 0.018 0.016 0.005 - 2-Methylnaphthalene 0.003 0.006 - - - - - - - 0.006 0.002 - - 1-Methylnaphthalene - 0.004 - - - 0.003 0.002 - - Acenaphthylene - - - 0.001 - - 0.002 - - Acenaphthene - - - 0.003 - - - 0.002 - - Fluorene 0.006 - - - 0.001 0.002 0.002 0.002 - - Phenanthrene 0.017 - 0.003 0.003 0.002 0.003 - 0.003 0.005 0.006 0.014 0.006 0.004 - 3-Methylphenanthrene - - - 0.003 - 0.004 - - 0.002 0.002 0.011 0.002 0.002 - 2-Methylphenanthrene 0.004 - - - - 0.001 - - 0.002 - 0.013 - - - 9-Methylphenanthrene 0.001 - - - - 0.001 - - - - 0.009 - - - Fluoranthene 0.014 0.002 0.002 0.002 0.001 0.001 - 0.002 0.002 0.002 0.002 0.002 0.002 0.001 Pyrene 0.009 0.002 - 0.001 - - - - 0.001 - 0.002 - 0.001 - Benzo(a)anthracene 0.002 - - - - Chrysene & Triphenylene 0.003 - - - - Benzo(j&b)fluoranthene 0.002 - - - - Coprostanol 0.06 0.07 0.06 0.11 0.02 0.23 0.02 - 0.09 1.28 0.04 0.05 0.02 0.02 Cholesterol 1.92 0.82 0.86 2.24 1.42 0.70 0.23 0.84 1.56 3.57 1.21 1.14 0.83 0.99 Cholestanol 0.65 0.17 0.16 0.41 0.16 0.12 0.05 0.11 0.17 0.61 0.18 0.20 0.07 0.10 Ergosterol 0.99 0.18 0.13 0.87 0.31 0.06 0.07 0.25 0.29 0.43 0.14 0.15 0.12 0.06 Campesterol 1.09 0.17 0.21 0.61 0.75 0.16 0.09 0.29 0.45 0.66 0.25 0.25 0.18 0.06 Stigmasterol 0.80 0.11 0.08 0.59 0.04 0.13 0.04 0.08 0.08 0.16 0.06 0.04 0.02 0.05 beta-Sitosterol 5.02 1.03 0.48 2.16 0.95 1.06 0.23 0.50 0.77 2.05 0.64 0.50 0.31 0.40
40
Trong tổng số các chất hóa học thuộc các nhóm hợp chất hữu cơ khác nhau đƣợc tìm thấy trong mẫu nƣớc sông Hồng tại 14 điểm lấy mẫu, có 2 nhóm chất hữu cơ độc hại chính cần thực hiện nghiên cứu sâu hơn bao gồm:
- Nhóm các chất PAHs (hydrocacbon thơm đa vòng ngƣng tụ) .
- Nhóm Sterol (nhóm nhỏ của steroid và một phần quan trọng của các phân tử hữu cơ).
3.1.2. Kiểm soát chất lượng
Mỗi mẫu nƣớc đƣợc kiểm soát chất lƣợng bằng cách tính độ thu hồi của 38 chất chuẩn đồng hành đƣợc lựa chọn từ 943 hợp chất dựa trên tính chất lý hóa của chúng nhƣ hệ số phân bố otanol - nƣớc và tính tan của chúng trong nƣớc. 1µg mỗi các chất trong chuẩn đồng hành sẽ đƣợc thêm vào 1 lít mẫu trƣớc khi tiến hành tách chiết mẫu. Mẫu trắng đƣợc tiến hành tƣơng tự bằng cách thêm dung dịch chuẩn đồng hành vào 1 lít nƣớc cất. Nồng độ mẫu trắng đƣợc trừ khi tính toán nồng độ của mẫu tƣơng ứng với quá trình mất và quá trình ngƣng tụ trên bề mặt các dụng cụ thí nghiệm trong phòng thí nghiệm. Kết quả tính hiệu suất thu hồi trung bình và độ lệch chuẩn tƣơng đối của các hợp chất chuẩn đồng hành đƣợc thêm vào mẫu nƣớc sông (trong nhiệm vụ đề tài là 14 mẫu). Tuy nhiên trong nghiên cứu của đề tài JSPS chúng tôi tiến hành nghiên cứu trên 17 mẫu nƣớc sông đƣợc lấy từ các sông chảy qua bốn thành phố lớn và Sông Hồng. Độ thu hồi của các hợp chất chuẩn đồng hành nằm trong khoảng 70% đến 127% ngoại trừ Isofenphos oxon-d6 (166%), Fenitrothion d6 (183%), Tri(2 ethyl hexyl)phosphate d5 (214%), nguyên nhân có thể do các hợp chất phân cực trong mẫu không đƣợc loại bỏ hoàn toàn đã tác động lên bề mặt trong của cột sắc ký làm tăng diện tích píc của những nhóm chất trên. 2- Aminnaphthalene d7 không phát hiện ngay cả trong mẫu trắng bơm chuẩn, có thể do bị phân hủy trong quá trình chiết tách. Phần lớn các hợp chất không phân cực (có hệ số phân bố otanol- nƣớc cao) có hiệu suất thu hồi lớn hơn 70%. Nhƣng nhóm chất phân cực (có hệ số phân bố octanol-nƣớc thấp) có hiệu suất thu hồi không hiệu quả do những chất này có xu hƣớng tan trong nƣớc bởi vậy rất khó có thể chiết tách
41
bằng phƣơng pháp chiết lỏng lỏng với dichloromethan. Một số phenol và amine có hiệu suất thu hồi thấp mặc dù hệ số phân bố octanol và nƣớc cao, điều này có thể là do các hợp chất này khó đƣợc tách chiết bằng phƣơng pháp chiết lỏng lỏng. Benzidine–d8 và 3,3 dichlorobezindine d6 bị oxi hóa trong quá trình tách chiết. Isofenphos oxon d6, fenitrothion d6 và tris(2-ethyl)phosphate – d51 có độ thu hồi rất cao có thể do ảnh hƣởng của nền mẫu. Dƣới đây là bảng tổng hợp các giá trị về độ thu hồi, độ lệch chuẩn tƣơng đối, hệ số phân bố octanol – nƣớc.
Bảng 3.2. Độ thu hồi, RSD, hệ số phân bố octane- nƣớc của chuẩn đồng hành
STT Tên chất Độ thu hồi RSD (%) LogPow
1 2-Fluorophenol 27 24 - 2 Phenol-d5 28 21 1.46 3 Bis(2-chloroethyl)ether-d8 82 21 1.29 4 2-Chlorophenol-d4 59 10 2.15 5 1,2-Dichlorobenzene-d4 56 28 3.43 6 Acetophenone-d5 74 17 1.58 7 4-Methylphenol-d8 48 33 1.94 8 Nitrobenzene-d5 89 16 1.85 9 2-Nitrophenol-d4 127 12 1.79 10 2,4-Dichlorophenol-d3 82 15 3.06 11 4-Chloroaniline-d4 25 58 1.83 12 Quinoline-d7 84 16 2.03 13 2-Fluorobiphenyl 73 13 - 14 Dimethylphthalate-d6 90 8 1.60 15 4-Nitrophenol-d4 64 29 1.91 16 2-Aminonaphthalene-d7 0 0 2.28 17 Fluorene-d10 92 16 4.18 18 Diphenylamine-d10 70 26 3.5 19 N-Nitrosodiphenylamine-d6 70 26 3.13 20 1,2-Diphenylhydrazine-d10 83 11 2.94 21 Benzophenone-d10 82 14 3.18 22 2,4,6-Tribromophenol 108 19 4.13 23 Simazine-d10 88 11 2.18 24 Pentachlorophenol-13C6 125 17 5.12
42
STT Tên chất Độ thu hồi RSD (%) LogPow
25 Dibenzothiophene-d8 81 10 4.38 26 Anthracene-d10 84 10 4.45 27 Fenitrothion-d6 183 21 3.30 28 C20D42 83 14 - 29 Isofenphos oxon-d6 166 15 4.12 30 Benzidine d8 42 50 1.34 31 Pyrene d10 102 14 4.88 32 Bisphenol A- d14 106 53 3.32 33 P Terphenyl- d14 96 8 - 34 Isoxathion d10 113 25 3.73 35 Tris(2-ethylhexyl)Phosphate d51 214 30 - 36 3,3’ Dichlorobezidine d6 46 59 3.51 37 Benzo(a)pyrene d12 83 16 6.13 38 C 32D66 124 24.5 -
Hình 3.1. Mối tƣơng quan giữa độ thu hồi và LogPow 3.2. Đánh giá sự có mặt của các nhóm chất khác nhau
3.2.1. Các hợp chất Hydrocarbons đa vòng thơm (PAHs)
43
Các hydrocacbon thơm đa vòng (Polycyclic Aromatic Hydrocarbon - PAHs), hay còn đƣợc gọi là hydrocacbon thơm đa vòng ngƣng tụ là hợp chất hóa học trong đó bao gồm các vòng thơm và không chứa các dị tố hoặc mang theo nhóm thế. [5] PAHs có trong dầu mỏ, than đá, nhựa, là sản phẩm phụ của quá trình đốt cháy nhiên liệu bao gồm nhiên liệu hóa thạch hoặc sinh khối.
Nhƣ một chất ô nhiễm, chúng đƣợc quan tâm bởi vì một số hợp chất đã đƣợc xác định là gây ung thƣ, gây đột biến, và quái thai. PAHs cũng đƣợc tìm thấy trong thực phẩm. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng thức ăn nhiễm PAHs đến từ ngũ cốc, các loại dầu và chất béo. Một lƣợng nhỏ đến từ rau và thịt nấu chín [3] [8] [14]. Chúng cũng đƣợc tìm thấy trong các chòm sao, tại sao chổi, trong thiên thạch và đƣợc xem nhƣ một phân tử cơ sở cho quá trình hình thành sự sống sớm nhất.
Các PAHs là những chất lipophil, chúng dễ dàng hòa tan dầu hơn. Do những đặc tính này, PAHs trong môi trƣờng đƣợc tìm thấy chủ yếu trong đất, lớp trầm tích và các chất nhờn, ít xuất hiện trong nƣớc. Tuy nhiên, chúng cũng là một thành phần có mặt trong các hạt lơ lửng trong không khí.
Trong dầu thô và than đá có chứa một lƣợng đáng kể PAHs, chúng sinh từ quá trình biến đổi hóa học của các phân tử hợp chất tự nhiên, nhƣ steroid, đến hydrocarbon thơm. Họ cũng đƣợc tìm thấy trong quá trình chế biến nhiên liệu hóa thạch, hắc ín và dầu ăn.
PAHs là một trong những chất hữu cơ ô nhiễm phổ biến nhất. Ngoài sự hiện diện của chúng trong nhiên liệu hóa thạch, chúng cũng đƣợc hình thành bởi quá trình cháy không hoàn toàn của cacbon trong nhiên liệu nhƣ: gỗ, than đá, dầu diesel, chất béo, thuốc lá, hoặc hƣơng.
Các quá trình đốt cháy khác nhau tạo nên các PAHs tạo nên lƣợng PAHs khác nhau và các đồng phân khác nhau. Vì vậy, quá trình đốt cháy than đá tạo ra một hỗn hợp PAHs khác với đốt cháy nhiên liệu trong động cơ hoặc cháy rừng. Lƣợng phát thải hydrocarbon từ nhiên liệu hóa thạch, động cơ đốt trong đƣợc quy định tại các nƣớc phát triển.
44
b. Cấu trúc hóa học và một số đặc tính cơ bản của PAHs
Tại nhiệt độ thƣờng (từ 15-35oC), PAHs tinh khiết tồn tại ở thể rắn, không màu hoặc có màu trắng hay màu vàng chanh. Tùy thuộc vào khối lƣợng phân tử mà các PAHs có những tính chất vật lý, hóa học khác nhau. Nhìn chung chúng có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao, áp suất hơi thấp, rất ít tan trong nƣớc nhƣng tan tốt trong chất béo. Một số đặc tính của PAHs đƣợc mô tả ở bảng 3.1.
Hình 3.2. Cấu trúc hóa học của một số loại PAHs [11]
Hệ số Kpd
càng cao, các PAHs có xu hƣớng tăng khả năng hấp thụ lên bề mặt các vật liệu rắn, tƣơng ứng với sự giảm khả năng phân hủy sinh học. Độ hòa tan của PAH trong nƣớc tỉ lệ nghịch với Kpd. PAHs là những chất kỵ nƣớc. Khả năng gây ô nhiễm môi trƣờng tùy thuộc vào khả năng hòa tan của chúng trong nƣớc [4]. Đặc điểm về khả năng hòa tan và áp suất hơi của PAHs là nhân tố chính ảnh hƣởng đến khả năng phân tán của chúng trong khí quyển, thủy quyển và sinh quyển. Số lƣợng vòng benzen trong cấu trúc hóa học của các PAH quyết định khả năng hòa tan của chúng
45
trong nƣớc. PAH giảm khả năng hòa tan trong nƣớc hay tính kỵ nƣớc khi số lƣợng vòng benzene tăng [ . Khả năng hòa tan của các PAH rất biến động, từ những chất khó hòa tan nhất là benzo(b)perylene có chỉ số hòa tan 0.003 mg/l đến chất dễ hòa tan nhất là naphthalene có chỉ số hòa tan tới 3 mg/l. Nếu khả năng hòa tan trong nƣớc của PAH thấp, hay hệ số hấp phụ cao. Chỉ số Kp cao dẫn đến các PAH có xu hƣớng bị hấp phụ trong cặn bùn, đất đá và trầm tích, do đó ảnh hƣởng rất nhiều đến khả năng của chúng bị phân hủy sinh học bởi vi sinh vật [19]. Ngƣợc lại, khả năng hòa tan trong nƣớc của PAH cao thì khả năng bị phân hủy bởi vi sinh vật cũng cao. Điều đó cho thấy khả năng hòa tan trong nƣớc của PAHs có ảnh hƣởng đặc biệt quan trọng trong quá trình phân hủy sinh học PAH.
Áp suất hơi và nhiệt độ sôi cũng có vai trò quan trọng trong quá trình xử lý loại bỏ PAH ra khỏi địa điểm ô nhiễm, nó ảnh hƣởng đến khả năng hóa hơi của mỗi PAH, mà sự bay hơi cũng là một cách loại bỏ PAH ra khỏi nguồn ô nhiễm. Khi áp suất hơi tăng, khả năng bay hơi cũng tăng. Khả năng bay hơi cũng phụ thuộc vào kích thƣớc, khối lƣợng phân tử. Từ cấu trúc phân tử PAHs ở Hình 3.2 cho thấy, naphthalene có kích thƣớc nhỏ nhất nên có khả năng bay hơi đến 89%, trong khi đó BaP là hợp chất có kích thƣớc lớn nên chỉ có khả năng bay hơi 1%. Phenanthrene là đồng phân của anthracene có độ bay hơi thấp hơn do cấu trúc phân tử chứa vòng thơm không thẳng hàng nhƣ trong cấu trúc của anthracene.
c. Nguồn gốc phát sinh và khả năng tích tụ của PAHs
PAHs đƣợc hình thành chủ yếu từ các quá trình nhiệt phân, đặc biệt là sự đốt cháy không hoàn toàn các hợp chất hữu cơ trong công nghiệp và trong các hoạt động khác của con ngƣời nhƣ: quá trình khai thác than đá, dầu mỏ, sự đốt cháy các nhiên liệu từ; khí thải từ phƣơng tiện giao thông, từ chế biến thức ăn, khói thuốc lá, khí thải của các lò đốt rác (rác thải y tế, rác thải đô thị); các quá trình công nghiệp nhƣ bẻ gãy các liên kết mạch dài của các chất hữu cơ có trong dầu mỏ, các công đoạn đúc sắt, thép và sản xuất nhôm, than chì. Có tới hàng trăm PAHs khác nhau, nhƣng đƣợc biết nhiều nhất là Benzo[a]pyrene (BaP). Ngoài ra, còn có một số hợp chất vòng thơm
46
khác nhƣ: carbazole, acridine hay nitro-PAHs, có thể sinh ra bởi sự đốt cháy không hoàn toàn. Nói một cách tổng quát PAHs đƣợc sinh ra nhiều nhất từ các hoạt động công nghiệp và hoạt động khác của con ngƣời.
d. Tính độc và ảnh hưởng của PAH tới con người và môi trường
Tính độc của PAH đã đƣợc ngƣời ta biết đến từ những năm 30 của thế kỷ XX khi Hieger và Cook cùng những cộng sự khác nghiên cứu và thấy tinh thể benzo[a]pyrene màu vàng gây khối u ở động vật thí nghiệm [9]. Một số nghiên cứu trên chuột cũng đã chứng minh rằng sự tiêu hóa benzo[a]pyrene ở nồng độ cao trong suốt quá trình mang thai của chuột sẽ dẫn đến việc sảy thai hoặc làm giảm cân chuột con khi mới sinh ra, ngoài ra nếu bị phơi nhiễm PAH trong thời gian dài chuột dễ bị các bệnh nhƣ: ung thƣ phổi qua đƣờng hô hấp, ung thƣ dạ dày từ việc tiêu hóa thức ăn có PAH và ung thƣ da do tiếp xúc trực tiếp với PAH qua da. Với con ngƣời, PAH có thể là tác nhân gây đột biến và dẫn đến ung thƣ [4, 10]. Một vài nghiên cứu trên đối tƣợng động, thực vật cho thấy, động vật nếu tiếp xúc với naphthalene ở nồng độ cao thì chỉ trong thời gian ngắn cũng có thể gây mờ mắt, gây độc ở mức độ vừa phải. Hiệu ứng mạnh hơn, naphthalene có thể gây chậm phát triển, thậm chí gây chết với động thực vật. Nghiên cứu ngƣỡng độc của naphthalene đối với loài cá vƣợc, ngƣời ta đã xác định LC50 là 240 g/l (LC50 là nồng độ gây chết 50% sinh vật thí nghiệm). Bằng việc thử nghiệm với một nhóm chuột cho sử dụng anthracene với lƣợng 1.8 µg/l, ngƣời ta thấy rằng, sau 2 tuần gây nhiễm tỉ lệ chuột xuất hiện khối u là 40% [10].
Trong thực tế, các nhà khoa học cũng đã tiến hành nhiều nghiên cứu để xác định khả năng gây ảnh hƣởng của PAH đến sức khỏe con ngƣời. Ngƣời ta đã tiến hành điều tra những ngƣời công nhân sống ở những nơi bị ô nhiễm PAH trong thời gian dài và nhận thấy rằng những ngƣời này có nguy cơ bị mắc các nhƣ bệnh ung