Luận văn thạc sĩ khoa học hoá học phân tích hàm lượng một số cation kim loại nặng trong nước thải và nước sinh hoạt khu vực lâm thao – phú thọ bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http //www lrc tnu edu vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM NGUYỄN MINH HẰNG PHÂN TÍCH HÀM LƢỢNG MỘT SỐ CATION KIM LOẠI NẶNG TRONG NƢỚC THẢ[.]

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

NGUYỄN MINH HẰNG

PHÂN TÍCH HÀM LƯỢNG MỘT SỐ CATION KIM LOẠI NẶNG TRONG NƯỚC THẢI VÀ NƯỚC SINH HOẠT

KHU VỰC LÂM THAO - PHÚ THỌ BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HOÁ HỌC

Thái Nguyên - Năm 2011

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

NGUYỄN MINH HẰNG

PHÂN TÍCH HÀM LƯỢNG MỘT SỐ CATION KIM LOẠI NẶNG TRONG NƯỚC THẢI VÀ NƯỚC SINH HOẠT

KHU VỰC LÂM THAO - PHÚ THỌ BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ

Chuyên ngành: Hóa phân tích

Mã số: 60.44.29

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HOÁ HỌC

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đặng Xuân Thư

Thái Nguyên - Năm 2011

LỜI CẢM ƠN

Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Sư phạm –

Đại học Thái Nguyên

Bản luận văn của tôi đã được hoàn thành không chỉ bởi sự nỗ lực nghiên cứu, học hỏi của bản thân mà còn được các thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp, gia đình, cơ quan đã nhiệt tình giúp đỡ và động viên tôi rất nhiều trong suốt quá trình

Trước hết, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Đặng Xuân Thư đã tập tình hướng dẫn, định hướng và chỉ bảo tôi hoàn thành luận văn này.

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến thầy giáo Nguyễn Quang Tuyển đã giúp đỡ, tạo điều kiện trong suốt thời gian tôi nghiên cứu thực nghiệm

Tôi chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa, các thầy giáo, cô giáo - khoa Hóa học - Trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên, đặc biệt các thầy

cô trong tổ bộ môn Hóa học Phân tích đã dạy dỗ tôi những kiến thức quý báu cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học tập tại trường

Tôi xin chân thành cảm ơn sở GD&ĐT Quảng Ninh và đặc biệt là BGH trường PT DTNT tỉnh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cũng như động viên tôi rất nhiều trong quá trình tôi học tập và nghiên cứu

Qua đây cho phép tôi gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp đã nhiệt tình giúp đỡ và cổ vũ tôi trong quá trình học tập cũng như trong quá trình tôi nghiên cứu để hoàn thành bản luân văn này

Hà Nội, tháng 08 năm 2011

Nguyễn Minh Hằng

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

1.1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 1.1.1 Điều kiện tự nhiên 1.1.2 Đặc điểm kinh tế xã hội 3

1.1.3 Tình hình sử dụng nước sinh hoạt ở Thạch Sơn 4

1.1.4 Những vấn đề về môi trường 5

1.1.5 Tình hình bệnh ung thư tại Thạch Sơn 6

1.2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KIM LOẠI NẶNG 7

1.2.1 Trạng thái tự nhiên, vai trò và tác dụng sinh hoá của Đồng 8

1.2.2 Trạng thái tự nhiên, vai trò và tác dụng sinh hoá của Chì 9

1.2.3 Trạng thái tự nhiên, vai trò và tác dụng sinh hoá của Cadimi 10

1.2.4 Trạng thái tự nhiên và vai trò sinh hoá của Mangan 11

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG 14

1.3.1 Nhóm phương pháp phân tích công cụ 14

1.3.2 Nhóm phương pháp phân tích hóa học 20

1.4 PHƯƠNG PHÁP THỐNG KÊ XỬ LÍ SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM 24

1.4.1 Phương pháp xử lí các kết quả phân tích 24

1.4.2 Phương pháp xử lí thống kê đường chuẩn 25

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27

2.1 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27

2.1.1 Sự xuất hiện của phổ hấp thụ nguyên tử 27

2.1.2 Nguyên tắc của phương pháp 27

2.1.3 Phép định lượng của phương pháp 29

2.1.4 Ưu, nhược điểm của phương pháp 30

2.1.5 Nội dung và phương pháp nghiên cứu 31

2.2 HÓA CHẤT, DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ MÁY MÓC 32

2.2.1 Dụng cụ 32

2.2.2 Thiết bị máy móc 32

2.2.3 Hóa chất 33

2.2.4 Xử lý kết quả thực nghiệm 33

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN 34

3.1 KHẢO SÁT CÁC ĐIỀU KIỆN ĐO PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ DÙNG NGỌN LỬA TRỰC TIẾP CỦA MỘT SỐ CATION KIM LOẠI (F-AAS) 34 3.1.1 Khảo sát các thông số của máy 34

3.1.2 Khảo sát các điều kiện nguyên tử hoá mẫu 39

3.1.3 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới phép đo 41

3.2 ĐÁNH GIÁ CHUNG 49

3.2.1 Phạm vi tuyến tính của đồng, chì, cadimi, mangan 49

3.2.2 Tóm tắt các điều kiện cơ bản của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử dùng ngọn lửa trực tiếp xác định một số cation kim loại 51

3.3 XÂY DỰNG ĐƯỜNG CHUẨN XÁC ĐỊNH MỘT SỐ CATION KIM LOẠI NẶNG 52

3.3.1 Chuẩn bị dung dịch xây dựng đường chuẩn 52

3.3.2 Xây dựng đường chuẩn của đồng, chì, cadimi, kẽm, mangan 52

3.4 PHÂN TÍCH MẪU THỰC 56

3.4.1 Lấy mẫu và xử lí mẫu 56

3.4.2 Phương pháp xử lý kết quả 59

3.4.3 Kết quả xác định hàm lƣợng đồng, chì, cadimi, kẽm, mangan trong

mẫu 60

KẾT LUẬN 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AbsorptionSpectrometry

Quang phổ hấp thụ nguyên tử trong ngọn lửa

ETA-AAS

Electron-Thermal Atomization Atomic AbsorptionSpectrometry

Quang phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn lửa

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.3 Khu dân cư trù phú trước đây (đã được di dời), nay

Hình 3.16 Ao hồ khu 10 (đợt lấy mẫu: đợt 2 và đợt 3) 59

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.12 Ảnh hưởng của một số cation đến phổ hấp thụ của chì 46

Bảng 3.2 Giá trị giới hạn cho phép của nồng độ các chất ô nhiễm

MỞ ĐẦU

Kim loại nặng có Hg, Cd, Pb, As, Sb, Cr, Cu, Zn, Mn, v.v thường không tham gia hoặc ít tham gia vào quá trình sinh hoá của các thể sinh vật và thường tích luỹ trong cơ thể chúng Vì vậy, chúng là các nguyên tố độc hại với sinh vật Ô nhiễm kim loại nặng biểu hiện ở nồng độ cao của các kim loại nặng trong nước Đối với con người, khi đã nhiễm vào cơ thể, kim loại nặng có thể tích tụ lại trong các

mô Đồng thời với quá trình đó cơ thể lại đào thải dần kim loại nặng Nhưng các nghiên cứu cho thấy tốc độ tích tụ kim loại nặng thường nhanh hơn tốc độ đào thải rất nhiều Thời gian để đào thải được một nửa lượng kim loại nặng khỏi cơ thể được xác định bằng khái niệm chu kỳ bán thải sinh học (biologocal half - life), tức là qua thời gian đó nồng độ kim loại nặng chỉ còn một nửa so với trước đó, ví dụ với thuỷ ngân chu kỳ này vào khoảng 80 ngày, với cadimi là hơn 10 năm Điều này cho thấy cadimi tồn tại rất lâu trong cơ thể nếu bị nhiễm phải

Nguyên nhân chủ yếu gây ô nhiễm kim loại nặng là quá trình đổ vào môi trường nước, nước thải công nghiệp và nước thải độc hại không xử lý hoặc xử lý không đạt yêu cầu Nước và rác thải sinh hoạt chưa được xử lí tốt khiển môi trường nói chung và nguồn nước mặt nói riêng không còn đảm bảo an toàn cho ăn uống Hàng loạt các “làng ung thư” xuất hiện như ở Phú Thọ gần đây được báo chí thường xuyên nhắc đến, có nguyên nhân từ ô nhiễm nguồn nước sinh hoạt Vì vậy việc phân tích và đánh giá hàm lượng một số cation kim loại nặng trong nước thải và nước sinh hoạt là hết sức quan trọng

Có rất nhiều phương pháp để xác định hàm lượng các kim loại nặng, tùy thuộc vào hàm lượng chất phân tích mà có thể sử dụng các phương pháp khác nhau như: Phương pháp phân tích trọng lượng, phương pháp điện hóa, phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử, phương pháp trắc quang, phương pháp phân tích thể tích… Trong đó phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử có độ nhạy và độ chọn lọc cao lại cho kết quả phân tích ổn định, sai số nhỏ Đặc biệt phương pháp này có thể xác định đồng thời hay liên tiếp nhiều nguyên tố trong một mẫu

Từ những lí do trên, chúng tôi lựa chọn đề tài: “Phân tích hàm lượng một số

cation Kim loại nặng trong nước thải và nước sinh hoạt khu vực Lâm Thao – Phú Thọ bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử.”

Nhiệm vụ chính đặt ra:

1- Khảo sát các điều kiện thực nghiệm xác định một số cation kim loại nặng bằng

phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử dùng ngọn lửa

2- Khảo sát vùng tuyến tính của phép đo một số kim loại nặng

3- Xây dựng đường chuẩn của một số kim loại nặng

4- Đánh giá sai số, độ lặp, khoảng tin cậy của phép đo

5- Phân tích mẫu thực theo phương pháp đường chuẩn, một số mẫu thực theo phương pháp thêm chuẩn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU

1.1.1 Điều kiện tự nhiên

Vị trí địa lý, địa hình

Huyện Lâm Thao gồm 12 xã và 2 thị trấn trong đó có 3 xã miền núi, diện tích khoảng 25 km2 Khu vực nghiên cứu chủ yếu là khu công nghiệp Lâm Thao gồm thị trấn Lâm Thao, xã Thạch Sơn, thị trấn Hùng Sơn và xã Chu Hoá

Địa hình của huyện Lâm Thao có thể chia thành 2 kiểu: kiểu địa hình đồi

thấp và địa hình đồng bằng nằm ven sông Hồng

Điều kiện khí tượng thuỷ văn

Khí hậu nhiệt đới gió mùa và chia làm 4 mùa: xuân, hạ, thu, đông rõ rệt Mùa đông khô lạnh, mưa ít Mùa hạ nóng ẩm, mưa nhiều Nhiệt độ trung bình hàng năm

24 - 240C, cao nhất có thể tới 42,30C Độ ẩm dao động khoảng 76 - 94%, thấp nhất

có thể tới 16% (Theo nguồn từ Tổng cục Khí tượng Thuỷ văn)

Ở đây, mùa mưa kéo dài từ tháng 5 đến tháng 9, mùa khô kéo dài từ 10 đến tháng 4 năm sau

1.1.2 Đặc điểm kinh tế xã hội

Đây là khu vực có nền kinh tế phát triển và tập trung khá đông dân cư, có 2 thị trấn và nơi đây tập trung một số cơ sở công nghiệp quan trọng gồm nhà máy Supe phôtphat Lâm Thao, nhà máy Ắc quy Vĩnh Phú (đã chuyển về Việt Trì cách đây 3 năm), nhà máy Ắc quy Total, nhà máy ximăng Tiên Kiên và một số cơ sở công nghiệp, làng nghề khác

Nhà máy Supe phôtphat Lâm Thao (nay là Công ty Supe photphat Lâm Thao) bắt đầu hoạt động năm 1962 do Liên Xô cũ giúp đỡ Từ năm 1962 đến tháng 6/2003 công nghệ chủ yếu sử dụng nguyên liệu quặng pyrit nên thải ra nhiều xỉ sau quá trình luyện quặng

Công ty cổ phần pin Ắc quy Vĩnh Phú nằm trên địa bàn xã Chu Hoá Sản phẩm chính là pin và Ắc quy

Một số khu công nghiệp khác nằm chủ yếu tập trung tại 2 thị trấn Nhưng phần lớn khu dân cư này sống bằng nông nghiệp

Hình 1.1: Sơ đồ địa chất khu Công nghiệp Lâm Thao

(Theo báo cáo của Sở Khoa học và Công nghệ Phú Thọ, [2])

1.1.3 Tình hình sử dụng nước sinh hoạt ở Thạch Sơn

Ở xã Thạch Sơn có khoảng 50% sử dụng giếng đào nhưng có nhiều giếng không sử dụng được Hiện tại có 02 công trình cấp nước tập trung do địa phương quản lý và khai thác gồm 01 công trình tập trung quy mô nhỏ do UNICEP tài trợ và

01 công trình cấp nước có quy mô lớn (liên thôn) từ nguồn vốn chương trình Quốc gia Công trình cấp nước do UNICEP tài trợ gồm 01 giếng khoan sâu 20m được đầu

tư năm 1999 Nước từ giếng khoan bơm thẳng vào mạng lưới cấp nước không qua

xử lý Hiện trạm này đang cấp nước cho khoảng 180 hộ dân Công trình cấp nước

tập trung từ nguồn vốn Quốc gia bàn giao cho xã Thạch Sơn từ tháng 12 năm 2001 đến cuối 2004 đã giao cho HTX nông nghiệp khai thác và quản lý Đã có hệ thống

xử lý: phun mưa - lắng - lọc nổi chủ yếu là sử lý sắt Tuy vậy do thiết bị cũ kỹ nên chất lượng nước sau xử lý vẫn chưa đạt tiêu chuẩn nước sinh hoạt Ngoài ra, có 40

hộ dân đang dùng nước từ hệ thống cung cấp nước của nhà mày Supe photphat Lâm Thao Năm 2005, Nhà nước chủ trương dẫn nước máy từ Việt Trì về cho nhân dân Thạch Sơn nhưng đến tháng 11 năm 2010, nhân dân bắt đầu có nước sạch dùng (theo sự khảo sát lại mới đây nhất xã Thạch Sơn có nước sạch ở hầu khắp các khu dân cư, nhưng còn một số ít hộ không dùng nước sạch do nhà máy cung cấp mà vẫn dùng nước giếng khoan)

Điều đặc biệt là hệ thống nước thải của nhà máy Supe photphat Lâm Thao trước đây đi nhờ qua hệ thống mương tưới tiêu của xã Thạch Sơn

1.1.4 Những vấn đề về môi trường [2, 3, 4, 5]

Xã Thạch Sơn có hơn 1.800 hộ sống gần Công ty Supe photphat và Hoá chất Lâm Thao, 200 hộ sống ven đê sông Hồng cạnh đường nước thải của Công ty Giấy Bãi Bằng – 400 hộ này đều không sử dụng được nước giếng vì nước hôi

Công ty Supe photphat và Hoá chất Lâm Thao là doanh nghiệp sản xuất phân bón vào loại lớn nhất nước ta hiện nay Sản phẩm chủ yếu của công ty là Supe lân, phân hỗn hợp NPK và các sản phẩm hoá chất khác như axit sunfuric kĩ thuật, axit ắc quy, phục vụ cho nông nghiệp và quốc phòng Công suất sản xuất ban đầu của Công ty là 40.000 tấn axit sunfuric, 100.000 tấn supe lân/năm.Và hiện nay năng suất sản xuất axit sunfuric tăng 6 lần, supe lân tăng 14 lần

Đối với công tác bảo vệ môi trường, Công ty Hoá chất Supe photphat và Hoá chất Lâm Thao đã có một số giải pháp như nâng độ cao ống khói, đầu tư, cải tạo môi trường hai dây chuyền sản xuất axit theo công nghệ mới và xây hồ tuần hoàn nước tại các dây chuyền sản xuất Tuy vậy, tình trạng gây ô nhiễm môi trường vẫn còn nan giải và chưa khắc phục triệt để

Theo điều tra và báo cáo định kỳ của Cục Bảo vệ Môi trường và Uỷ ban nhân dân xã Thạch Sơn cho thấy:

Nước mặt, nước giếng, đất bùn, chất thải rắn và không khí bị nhiễm As và một số kim loại nặng độc hại Đặc biệt là chất thải của nhà máy đều bị ô nhiễm nghiêm trọng Một số nước giếng của một số nhà dân có hàm lượng kim loại nặng như Pb, Cd, Hg, vượt quá tiêu chuẩn cho phép Có thể kết luận, tại xã Thạch Sơn đều có dấu hiệu ô nhiễm As và kim loại nặng trong rau, cá

Hình 1.2: Cá chết do nước thải nhà máy tại làng ung thư Thạch Sơn, Phú Thọ

(Nguồn: Tia sáng, Bộ KH&CN Việt Nam)

1.1.5 Tình hình bệnh ung thư tại Thạch Sơn [2, 3, 4, 5]

Theo kết quả điều tra của Sở Y tế tỉnh Phú Thọ và theo thống kê của Trạm y

tế xã Thạch Sơn, từ năm 2005 đến tháng 4 năm 2009, xã có 162 người chết, trong

đó có 51 người chết do bệnh ung thư chiếm 31,48% Các loại bệnh ung thư ở đây có

14 kiểu ung thư khác nhau, thường gặp là: ung thư gan (27,4%), phổi (31,1%), dạ dày (10,4%), vòm họng (9,4%), não (7,5%), còn lại là ung thư cổ tử cung, máu, tinh hoàn, bàng quang, xương, khớp, đại tràng

Theo khảo sát mới nhất, từ đầu năm đến tháng 8 năm 2010, xã Thạch Sơn hiện có 44 người đang mắc bệnh ung thư, trong đó có 10 người đã chết

Năm 1990, tại khu 8 (xã Thạch Sơn) đã di dời đi nơi khác vì ô nhiễm không khí nặng nề khoảng 200 hộ dân, và nơi đây cũng là nơi tỷ lệ người mắc bệnh ung thư cao nhất Năm 2009, UBND xã Thạch Sơn sẽ xoá bỏ lò gạch thủ công và thay đổi dây chuyền công nghệ mới giảm thiểu sự ô nhiễm và di dời dân ra khỏi khu vực

bị ô nhiễm trầm trọng

Hình 1.3: Khu dân cư trù phú trước đây (đã được di dời), nay thành cánh đồng ô nhiễm

(Nguồn Báo Pháp luật, Tp HCM)

1.2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KIM LOẠI NẶNG [7, 13, 19]

Kim loại nặng là thuật ngữ dùng để chỉ các kim loại có khối lượng riêng lớn hơn 5 g/cm3 Chúng có thể tồn tại trong khí quyển (dạng hơi), thuỷ quyển (dạng muối hoà tan), địa quyển (dạng rắn, không tan) và sinh quyển (trong cơ thể động vật, thực vật)

Kim loại nặng nếu với hàm lượng nhỏ được coi là cần thiết cho sinh vật như cây trồng, động vật Một số kim loại nặng như đồng, kẽm trong thành phần các vitamin, các men được coi là các nguyên tố dinh dưỡng vi lượng Một số kim loại nặng không cần thiết cho sự sống, không có chức năng sinh hoá như : Asen, chì, thuỷ ngân những kim loại này khi vào cơ thể sinh vật ngay cả ở dạng vết cũng có thể gây độc hại

Các kim loại nặng khi xâm nhập vào môi trường sẽ làm biến đổi điều kiện sống, tồn tại của sinh vật trong môi trường đó Kim loại nặng khi hàm lượng vượt quá tiêu chuẩn cho phép sẽ gây độc hại cho môi trường và cơ thể sinh vật

Một số kim loại nặng (Pb, Cu, Zn, Mn, Cd, As ) đi vào nước từ nguồn nước thải sinh hoạt hoặc nguồn nước thải công nghiệp Các kim loại nặng trong môi trường pH khác nhau chúng sẽ tồn tại ở những dạng khác nhau và gây ô nhiễm cho các nguồn nước

1.2.1 Trạng thái tự nhiên, vai trò và tác dụng sinh hoá của Đồng [7, 13, 19]

Trạng thái tự nhiên của đồng