Sử dụng thiết bị điện di mao quản xách tay xác định đồng thời thành phần các cation và anion trong nước mưa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- ĐỖ THỊ KIM THOA SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐIỆN DI MAO QUẢN XÁCH TAY XÁC ĐỊNH ĐỒNG THỜI THÀNH PHẦN CÁC CATION VÀ ANION TRONG NƯỚC MƯ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

ĐỖ THỊ KIM THOA

SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐIỆN DI MAO QUẢN XÁCH TAY

XÁC ĐỊNH ĐỒNG THỜI THÀNH PHẦN CÁC CATION VÀ ANION TRONG NƯỚC MƯA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - Năm 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Đỗ Thị Kim Thoa

SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐIỆN DI MAO QUẢN XÁCH TAY

XÁC ĐỊNH ĐỒNG THỜI THÀNH PHẦN CÁC CATION VÀ ANION TRONG NƯỚC MƯA

Chuyên ngành: Hóa Môi trường

Mã số: 60440120

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS DƯƠNG HỒNG ANH

Hà Nội - Năm 2015

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn TS Dương Hồng Anh

đã giao đề tài, nhiệt tình hướng dẫn cho em trong suốt quá trình em thực hiện luận văn Đồng thời em cũng xin chân thành cảm ơn GS TS Phạm Hùng Việt đã tạo mọi điều kiện thuận lợi trong thời gian em làm luận văn tại Trung tâm CETASD

Em xin chân thành cảm ơn các cán bộ trong Trung tâm Nghiên cứu Môi trường và Phát triển Bền vững – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, đặc biệt là các anh chị em trong nhóm Điện di mao quản đã giúp đỡ em rất nhiều

Em xin chân thành cảm ơn các Thầy cô trong Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội đặc biệt là PGS TS Đỗ Quang Trung đã cho em những kiến thức quý báu, là nền tảng để em hoàn thành luận văn

Luận văn này được thực hiện trong khuôn khổ đề tài: “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐIỆN DI MAO QUẢN HAI KÊNH LOẠI XÁCH TAY PHỤC VỤ ĐÁNH GIÁ NHANH CHẤT LƯỢNG NƯỚC TẠI HIỆN TRƯỜNG”, mã số 13/HĐ-ĐT.13.14/CNMT thuộc Chương trình nghiên cứu khoa học, ứng dụng và chuyển giao công nghệ phát triển ngành Công nghiệp Môi trường do Bộ Công thương quản lý, vì vậy em xin trân trọng cảm ơn nguồn kinh phí của đề tài

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn gia đình, Trường THPT Chuyên Khoa học Tự nhiên đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ em khi em đi học

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

3

1.1 Lắng đọng khí quyển và pH của nước mưa 3

1.3 Những yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành mưa axit 7

1.3.2 Thành phần hóa học trong nước mưa 9 1.3.3 Hàm lượng các chất kiềm trong đất và không khí 9 1.3.4 Điều kiện khí tượng thủy văn 10 1.4 Tác động của mưa axit lên hệ sinh thái 10

1.4.1 Tác động đến hệ sinh thái đất 10 1.4.2 Tác động đến hệ sinh thái nước 11

1.5 Ô nhiễm môi trường không khí và lắng đọng axit ở Việt Nam 13 1.6 Phương pháp phân tích thành phần các ion trong nước mưa 15

2.3.1 Lấy mẫu 18 2.3.2 Phương pháp phân tích thành phần các ion Cl-, NO3-,

NO2-, SO42- NH4+, K+, Na+, Ca2+, Mg2+ trong nước

2.3.2.1 Phương pháp điện di mao quản sử dụng thiết

bị điện di mao quản 2 kênh đi kèm detector độ dẫn

2.3.2.2 Phân tích mẫu đối chứng bằng phương pháp

2.3.3 Phương pháp tính xác định hàm lượng bicacbonat,

cân bằng ion và đánh giá thành phần nước mưa 22 2.3.3.1 Hàm lượng bicacbonat 22 2.3.3.2 Chỉ số cân bằng ion

2.3.3.3 Đánh giá các thành phần nước mưa

22

23

3.1 Kết quả xác định thành phần nước mưa lấy tại các trạm quan

3.2 Đánh giá thành phần các ion trong nước mưa 39 3.3 Quá trình axit hóa và trung hòa nước mưa 44 3.4 Phân tích tương quan các thành phần trong nước mưa 46 3.5 Hệ số làm giàu và đánh giá nguồn gốc các ion trong nước mưa 46

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

C4D Detector độ dẫn không tiếp xúc

CE Điện di mao quản

IC Sắc ký ion HPLC Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao LOD Giới hạn phát hiện

LOQ Giới hạn định lượng UV-Vis Phương pháp phổ hấp thụ phân tử vùng tử ngoại khả kiến

FA Hệ số biểu thi khả năng trung hòa của các dạng axit NFx Hệ số biểu thi khả năng trung hòa của các dạng bazơ

EF Hệ số làm giàu

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Tốc độ chuyển hóa và quá trình wash–out của các hợp

Bảng 1.2 Phân loại các trận mưa theo đặc tính pH (%) 14 Bảng 2.1 Thông số vận hành của hệ điện di mao quản tự động

Bảng 2.2 LOD và LOQ của phương pháp điện di mao quản sử

dụng điện cực đo độ dẫn không tiếp xúc cho phân tích các cation và anion trong nước mưa 21

Bảng 3.2a Kết quả phân tích các anion clorua, nitrat và sunfat

trong nước mưa bằng phương pháp CE và đối chứng

Bảng 3.2b Kết quả phân tích nitrit trong nước mưa bằng phương

pháp CE và đối chứng bằng phương pháp IC 30 Bảng 3.3a Kết quả phân tích các cation amoni, kali và natri trong

nước mưa bằng phương pháp CE và đối chứng bằng

Bảng 3.3b Kết quả phân tích các cation canxi và magie trong nước

mưa bằng phương pháp CE và đối chứng bằng phương

Bảng 3.4 Kết quả đo pH và thành phần các anion, cation cơ bản

Bảng 3.5 Tổng nồng độ anion, cation cơ bản trong nước mưa và

Bảng 3.6 So sánh thành phần hóa học của nước mưa (EqL-1) tại

Bảng 3.7 Hệ số làm giàu liên quan tới nguồn biển hoặc đất đối

với các thành phần nước mưa tại khu vực nghiên cứu ở

Bảng 3.8 Các nguồn đóng góp vào những thành phần chính của

nước mưa tại khu vực nghiên cứu ở miền Bắc Việt Nam

DANH MỤC HÌNH

Hình 3.1 Điện di đồ phân tích mẫu chuẩn của kênh anion 24 Hình 3.2 Điện di đồ phân tích mẫu chuẩn của kênh cation 25 Hình 3.3 Các đường chuẩn định lượng phân tích anion và cation

Hình 3.4 Điện di đồ phân tích mẫu nước mưa M3-19 sử dụng hệ

thiết bị điện di mao quản 2 kênh 29 Hình 3.5 Tương quan kết quả nồng độ các anion giữa phương

Hình 3.6 Tương quan kết quả nồng độ các cation giữa phương

Hình 3.7 Phần trăm đóng góp của các ion trong thành phần nước

Hình 3.8 Mối quan hệ giữa [H3O+] và A [SO42-], B [NO3-], C

Hình 3.9 Mối quan hệ giữa [Mg2++ Ca2++ NH4+] và [SO42-+NO3-] 45

1

MỞ ĐẦU

Hiện tượng lắng đọng axit bao hàm cho tất cả các loại giáng thủy: mưa, tuyết, mưa tuyết, mưa đá, sương mù…mà bản chất mang tính axit Bản chất của nước mưa thông thường mang tính axit yếu do CO2 của không khí hòa tan trong nước, nước mưa tinh khiết thường có độ pH khoảng 5,6 – 5,7 [3] Tuy nhiên thành phần hóa học và pH của nước mưa thường bị biến đổi do khi rơi xuống mặt

đất đã mang theo một lượng các chất vết khí và hạt bị rửa trôi (wash out) từ khí

quyển Giá trị pH nước mưa là một chỉ tiêu rất quan trọng trong việc đánh giá mức độ ô nhiễm môi trường nói chung và mức độ ô nhiễm không khí nói riêng Lắng đọng axit lần đầu tiên được ghi nhận ở Châu Âu và Bắc Mỹ Nhiều nhà bác học (Robert – Anh 1852, sau đó là Hans Egner – Thụy Điển đầu thế kỷ

20, Oden – Thụy Điển, Gorham – Mỹ) đã nghiên cứu và lên tiếng cảnh tỉnh nhân loại về nguyên nhân và các hậu quả của lắng đọng axit Cùng với công cuộc công nghiệp hóa và hiện đại hóa, rất nhiều các tổ chức thế giới đã được thành lập và đưa ra các dự án nghiên cứu về hiện tượng lắng đọng axit Các nhà khoa học đã chứng minh được rằng các chất gây ô nhiễm không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng không khí, đất, nước của khu vực có nguồn phát thải mà nó còn được vận chuyển xa đến các vùng khác theo dòng luân chuyển không khí có khi vượt biển xuyên biên giới sang các nước khác Do đây là một vấn đề quan trọng không phải chỉ là của các nước có nguồn phát thải lớn mà của cả các nước xung quanh khu vực Hiện tượng lắng đọng axit gần đây đã được ghi nhận đáng kể ở một số nước như Trung Quốc, Nhật Bản, Ấn Độ

Thành phần hóa học của lắng động axit, đặc biệt là nước mưa có tầm quan trọng lớn để có thể đánh giá được mức độ ô nhiễm không khí vì đây là môi trường tiếp nhận các chất vết khí và hạt tan Do vậy, hóa học nước mưa đã được nghiên cứu từ những năm 70 ở một vài nước phát triển trên thế giới và trở thành một trong những vấn đề môi trường quan trọng

2

Nghiên cứu này được thực hiện với nội dung thu thập các mẫu nước mưa lấy tại các trạm quan trắc khu vực miền Bắc, phân tích thành phần hóa học: các anion, cation chính trong mẫu nước mưa sử dụng thiết bị điện di mao quản xách tay loại 2 kênh Nghiên cứu có mục tiêu:

- Đánh giá thành phần hóa học, xác định ảnh hưởng của các ion này đến mức độ axit của nước mưa, xác định nguồn gốc của các ion này

- Chứng minh khả năng sử dụng thiết bị điện di mao quản xách tay hai kênh trong việc phân tích đồng thời nhóm cation và anion sử dụng cho quan trắc môi trường nước

3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Lắng đọng khí quyển và pH của nước mưa [3,4]

1.1.1 Lắng đọng khí quyển

Các chất vết trong khí quyển có nồng độ luôn biến đổi theo thời gian và không gian Thời gian lưu của chúng có thể một vài giờ, môt vài tuần hoặc một vài năm Quá trình loại bỏ các chất vết này trong khí quyển hay nói cách khác là quá trình chúng được chuyển từ bầu khí quyển đến bề mặt trái đất được gọi là sự lắng đọng khí quyển Sự lắng đọng này được chia làm hai loại: lắng đọng khô và lắng đọng ướt

 Lắng đọng khô: Là sự chuyển dịch của các chất vết khí và hạt dưới thời tiết khô tới bề mặt của vật hấp thụ (đất, hệ thực vật và các bề mặt nước)

 Lắng đọng ướt: Là quá trình vận chuyển, chuyển hóa hóa học của các thành phần khí và hạt tới bề mặt trái đất dưới các hình thức khác nhau như mưa, tuyết, sương mù Quá trình này rất quan trọng vì các thành phần lý hóa học sau này của lắng đọng ướt phần lớn phụ thuộc vào quá trình này Quá trình lắng đọng ướt có thể xảy ra theo hai cơ chế:

Các vết ở thể khí và hạt được sát nhập vào các đám mây nhỏ, chúng có thể không tan hoặc bị hòa tan trong nước mây Sau khi bị hấp thụ các chất có thể tham gia vào các phản ứng hóa học không thuận nghịch và các thành phần khác trong pha lỏng Chuyển hóa kiểu này thường xảy ra đối với các chất như SO2, NOx chúng có thể bị chuyển hóa không thuận nghịch tạo thành axit hoặc muối,

quá trình này được gọi là Rain – out Các vật chất được hấp thụ trong mây đi

theo lắng đọng ướt rơi xuống mặt đất và bị loại bỏ khỏi khí quyển

Các chất vết dưới tầng đám mây bị bắt giữ vào lắng đọng ướt nhờ có sự đông tụ trọng trường do sự khác nhau giữa tốc độ rơi của hạt trong không khí và hạt lắng đọng ướt

4

Quá trình chuyển dịch ướt của các chất vết khí và hạt bằng sự rơi của lắng

đọng ướt dưới tầng đám mây được gọi là Wash – out Quá trình làm sạch khí

quyển này là rất quan trọng, nhất là những vùng có không khí bị ô nhiễm

Như vậy thành phần hóa học của lắng đọng ướt chịu ảnh hưởng của các thành phần trong khí quyển Hiện nay người ta đang nghiên cứu xác định mối quan hệ định lượng giữa nồng độ một chất trong khí quyển và trong nước mưa như một hàm số của các điều kiện khí quyển

1.1.2 Hiện tượng lắng đọng axit

Độ pH của nước mưa bằng 5,6 ở nhiệt độ 10o C là một giá trị được xem là một giá trị lý tưởng, tính cho nước nguyên chất cân bằng với nồng độ CO2 trong không khí Các chất có nguồn gốc tự nhiên có cơ chế phát sinh và tiêu thụ ở thể cân bằng và tương đối Chu kỳ vận chuyển của các chất trong thành phần không khí, đất và nước trong tự nhiên là tương đối ổn định Giá trị pH của nước mưa tự nhiên dao động trong khoảng 5 – 7 được coi là ở mức độ bình thường

Nhưng con người trong quá trình cải tạo tự nhiên và trong các hoạt động của mình đã có những tác động vào môi trường gây sự mất ổn định của các chu

kỳ vật chất, làm thay đổi thành phần hóa học của đất, nước và đặc biệt là khí Nồng độ của các chất khí như NOx, SO2, NH3, hợp chất hữu cơ (CH3COO-, HCOO- …), bụi trong khí quyển… vượt quá xa những giá trị của tự nhiên, làm cho pH của sự lắng đọng khí quyển thay đổi (lớn hơn 6 hoặc nhỏ hơn 5), gây ra những hậu quả nghiêm trọng và phức tạp

Nước mưa có pH < 5 đã được ghi nhận ở nhiều vùng trên thế giới như Tây

Âu, Bắc Mỹ, Trung Quốc, Nhật Bản … gây thiệt hại lớn về kinh tế và các công trình văn hóa

Hình dưới đây mô tả một cách đầy đủ sự hình thành mưa axit từ các khí có trong thiên nhiên cũng như từ các quá trình hoạt động của con người gây ra

5

Hình 1.1

Sơ đồ quá trình tạo mưa axit

Quá trình này diễn ra theo các phản ứng hoá học:

a Lưu huỳnh:

S + O2 → SO2 SO2 + O2 → SO3 SO3 + H2O → H2SO4

b Nitơ:

N2 + O2 → 2NO 2NO + O2 → 2NO2 3NO2(k) + H2O(l) → 2HNO3(l) + NO(k)

6

Axít sunfuric H2SO4 và axit nitric HNO3 là thành phần gây ra mưa axit

1.2 Các nguồn gốc gây mưa axit

Sự có mặt của SO2 và NOx với hàm lượng lớn trong khí quyển (vượt quá giới hạn cho phép) đang được coi là nguyên nhân chính gây ra mưa axit Ngoài

ra các thành phần khác như NH3, Cl2, CO2… cũng góp phần quyết định tính axit của nước mưa Các khí này một phần được sinh ra trong tự nhiên còn phần lớn là phát thải từ các hoạt động của con người Các axit H2SO4, HNO3 được sinh ra trong khí quyển từ các tiền chất SO2 và NOx là nguyên nhân chính làm giảm pH của nước mưa Thông thường nước mưa có tính axit cao được tìm thấy ở những vùng bị ảnh hưởng bởi hoạt động của con người

Trong tự nhiên khí SO2 có thể được sinh ra từ quá trình hoạt động của núi lửa Đồng thời các lớp rong tảo dưới biển cũng tích tụ một lượng rất lớn các hợp chất sunfua, khí hydrosunfua nên cũng là một trong những nguồn tự nhiên sản sinh ra khí SO2 Một số nghiên cứu của UNEP cho thấy rằng khí SO2 được phát thải từ các nguồn tự nhiên chiếm khoảng một nửa SO2 trong khí quyển lượng này không tăng lên khi mà sunfua trong tự nhiên được tái tạo và sử dụng theo các cơ chế khác nhau

Trong tự nhiên khí NOx được giải phóng từ đất thông qua hoạt động của vi khuẩn và được tạo thành trong không khí khi có sét Do sự phân tán khí trong tự nhiên nồng độ của chúng được pha loãng và tác động rất ít tới nồng độ trong không khí ở những vùng riêng biệt

Phần lớn khí SO2 và NOx do con người phát thải vào không khí được tạo ra trong quá trình đốt nhiên liệu Chủ yếu là dầu thô, xăng, than đá, khí đốt và các sản phẩm dầu mỏ khác Một lượng nhỏ SO2 được tạo thành trong quá trình đốt quặng có chứa lưu huỳnh và lưu huỳnh nguyên tố để sản xuất axit sunfuric (H2SO4) hoặc do các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình đốt hoặc chưng cất các hợp chất hữu cơ trong công nghệ sản xuất giấy Khí SO2, SO3, H2SO4 (ở dạng mù) thường thấy trong thành phần của khí lò ở nhiệt độ cao Một trong

7

những nguồn đóng góp chính vào việc thải NOx là ống xả của các phương tiện giao thông Trong số bảy oxit nitơ (N2O, NO, N2O3, N2O4, NO2, NO3, N2O5) chỉ

có NO và NO2 được tăng lên từ nhiều hoạt động của con người và được coi là chất gây ô nhiễm Trong các đánh giá chất lượng môi trường chúng thường được báo cáo là tổng oxit nitơ hoặc NOx Quá trình điều tra cho thấy năm 1998 số lượng ô tô trên toàn cầu vượt quá 400 tỷ, hơn 1,5 tỷ phương tiện giao thông ngày nay là ở trên đường, nhiều hơn 10 lần so với 1950 Đặc biệt nguy hại hơn ở các nước nghèo, kém phát triển các phương tiện giao thông thường là cũ được khôi phục lại và sửa chữa lại, chạy quá tải và bảo dưỡng kém Sự đốt cũng oxi hóa cả các hợp chất chứa nitơ trong nhiên liệu và một phần nitơ tự nhiên tồn tại trong không khí tạo thành ôxit nitơ

Theo điều tra của UNEP khoảng 75% NOx do con người sinh ra là do sự phát thải của các phương tiện giao thông và đốt nhiên liệu than đá trong các lò năng lượng và 30% đến 40% từ các nhà máy điện có sử dụng than đá Ngoài ra lượng nhỏ NOx còn được sinh ra từ các nơi sản xuất axit nitric (HNO3) hoặc là việc sử dụng các phản ứng hóa học Như vậy, những nguồn gây ô nhiễm không khí chính là các ngành công nghiệp, nhiên liệu dùng trong sinh hoạt và các phương tiện giao thông

Các chất khác gây ra lắng đọng axit là clo và amoniac Nguồn gốc HCl tự nhiên quan trọng nhất là phản ứng của muối biển với axit H2SO4 hoặc HNO3 Những nguồn khác được tạo ra do hoạt động núi lửa Việc đốt than cũng sinh ra lượng HCl đáng kể Clo tồn tại trong than dưới dạng clorua kim loại tan được và chủ yếu dưới dạng natriclorua (NaCl) nhưng cũng có những dạng muối khác như CaCl2, MgCl2… Nguồn chủ yếu khác là đốt chất thải Clorua tồn tại trong chất thải dưới dạng muối trong rau và dưới dạng PVC

1.3 Những yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành mưa axit [3]

Hiện nay người ta đang quan tâm tới hai đối tượng quan trọng nhất được coi

là nguyên nhân gây ra mưa axit là khí SO2 và NOx Cường độ phát thải các chất