Arsenic – Nguồn nước và sức khỏe người sử dụng

2.Tính chất hóa học: Trạng thái ôxi hóa phổ biến nhất của nó là -3 asenua: thông thường trong các hợp chất liên kim loại tương tự như hợp kim, +3 asenat III hay asenit và phần lớn các h

Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh

Khoa Môi Trường

BỘ MÔN HÓA KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Đề tài 4:

Arsenic – Nguồn nước và sức khỏe người sử dụng

GVHD: Nguyễn Thị Ngọc Quỳnh Nhóm thực hiện: Nhóm 2

Lớp: MO1304

Thành viên MSSV

1.Nguyễn Hồng Yến Nhi 91302783

3.Trần Thị Ngọc Anh 91300147 4.Nguyễn Hải Đăng 91300842

Mục lục

I.Khái quát về asen 4

1.Khái niệm và tính chất vật lý 4

2.Tính chất hóa học 4

3.Ứng dụng 5

II Asen và nguồn nước 6

1.Các con đường As xâm nhập vào nước 6

a.Nguồn gốc tự nhiên 6

b.Hoạt động nhân sinh 6

c.Các quá trình sinh địa hóa 6

2.Cơ chế xâm nhập của As vào nước 7

3.Dạng tồn tại của asen trong nước 7

4.Tính hình chung trên thế giới và vấn đề ô nhiễm asen 7

5.Ô nhiễm asen ở Việt Nam 8

6.Phương pháp loại bỏ asen khỏi nguồn nước 9

III.Asen và sức khỏe con người 12

1.Những con đường xâm nhập của asen vào cơ thể 12

2.Tác hại của asen đến sức khỏe con người 12

a.Mức độ độc hại 12

b.Hậu quả của việc nhiễm độc asen 13

c.Nhiễm độc mãn tính 13

d.Nhiễm độc cấp tính 14

3.Cơ chế gây độc 14

I.Khái quát về asen:

1 Khái niệm và tính chất vật lý:

Asen (Arsenic), có kí hiệu là As, còn gọi là thạch tín Được Albertus Magnus (người Đức) chính thức viết về nó vào năm 1250

Nguyên tố số 33 Khối lượng nguyên tử bằng 74,92 Nhiệt độ nóng chảy: 816.8 °C

Vị trí của nó trong bảng tuần hoàn được đề cập ở bảng mé bên phải Cấu hình e là [Ar]4s2 3d10 4p3 ( Nhóm VA, chu kì 4, phân lớp p )

Asen nguyên tố được tìm thấy ở nhiều dạng thù hình rắn:

• Dạng màu vàng thì mềm, dẻo như sáp và không ổn định, và nó làm cho các phân tử dạng tứ diện As4 tương tự như các phân tử của phốtpho trắng

• Các dạng màu đen, xám hay 'kim loại' hơi có cấu trúc kết tinh thành lớp với các liên kết trải rộng khắp tinh thể Chúng là các chất bán dẫn cứng với ánh kim

• Tỷ trọng riêng của dạng màu vàng là 1,97 g/cm³; dạng 'asen xám' hình hộp mặt thoi nặng hơn nhiều với tỷ trọng riêng 5,73 g/cm³; các dạng á kim khác có tỷ trọng tương tự

2.Tính chất hóa học:

Trạng thái ôxi hóa phổ biến nhất của nó là -3 (asenua: thông thường trong các hợp chất liên kim loại tương tự như hợp kim), +3 (asenat (III) hay asenit và phần lớn các hợp chất asen hữu cơ), +5 (asenat (V): phần lớn các hợp chất vô cơ chứa ôxy của asen ổn định)

Asen cũng dễ tự liên kết với chính nó, chẳng hạn tạo thành các cặp As-As trong sulfua

đỏ hung hoàng (α-As4S4) và các ion As43- vuông trong khoáng coban asenua có tên skutterudit Ở trạng thái ôxi hóa +3, tính chất hóa học lập thể của asen chịu ảnh hưởng bởi sự có mặt của cặp electron không liên kết

Asen về tính chất hóa học rất giống với nguyên tố đứng trên nó là photpho:

• Asen tạo thành các oxit kết tinh, không màu, không mùi như As2O3 và As2O5 là những chất hút ẩm và dễ dàng hòa tan trong nước để tạo thành các dung dịch có tính axít

• Axit asenic (V), tương tự như axít photphoric, là một axít yếu

• Asen tạo thành hiđrua dạng khí và không ổn định, đó là arsin (AsH3)

• Sự tương tự lớn đến mức asen sẽ thay thế phần nào cho phốtpho trong các phản ứng hóa sinh học và vì thế nó gây ra ngộ độc Tuy nhiên, ở các liều thấp hơn mức gây ngộ độc thì các hợp chất asen hòa tan lại đóng vai trò của các chất kích

thích và đã từng phổ biến với các liều nhỏ như là các loại thuốc chữa bệnh cho con người vào giữa thế kỷ 18

Khi bị nung nóng trong không khí, nó bị oxi hóa để tạo ra trioxit asen; hơi từ phản ứng này có mùi như mùi tỏi Mùi này cũng có thể phát hiện bằng cách đập các khoáng vật asenua như asenopyrit bằng búa

Asen (và một số hợp chất của asen) thăng hoa khi bị nung nóng ở áp suất tiêu chuẩn, chuyển hóa trực tiếp thành dạng khí mà không chuyển qua trạng thái lỏng Trạng thái lỏng xuất hiện ở áp suất 20 atm trở lên, điều này giải thích tại sao điểm nóng chảy lại cao hơn điểm sôi

3.Ứng dụng:

Asenat hidro chì được ứng dụng làm thuốc trừ sâu (Nhưng chính việc này đã gây ra tồn thương não trực tiếp cho những người phun thuốc)

Asenat đồng được sử dụng như tác nhân tạo màu vào thế kỉ 19

Trioxit asen dùng làm thuốc trong điều trị ung thư, bệnh nhân mắc bệnh bạch cầu cấp tính tiền nhiễm myelin, bệnh vảy nến

Asen thường có trong rau quả, thực phẩm, trong cơ thể động vật và người với nồng độ rất nhỏ Ở mức độ bình thường, nước tiểu chứa 0,005-0,04 mg As/L, tóc chứa 0,08-0,25 mg As/kg, móng tay, móng chân chứa 0,43-1,08 mg As/kg [16]

Asen là một chất rất độc, độc gấp 4 lần thuỷ ngân Asen tác động xấu đến hệ tuần hoàn, hệ thần kinh Nếu bị nhiễm độc từ từ, mỗi ngày một ít, tuỳ theo mức độ bị nhiễm

và thể tạng mỗi người, có thể xuất hiện nhiều bệnh như: rụng tóc, buồn nôn, sút cân, ung thư, giảm trí nhớ Asen làm thay đổi cân bằng hệ thống enzim của cơ thể, nên tác hại của nó đối với phụ nữ và trẻ em là lớn nhất As2O3 màu trắng, dạng bột, tan được trong nước, rất độc Khi uống phải một lượng thạch tín (As2O3) bằng nửa hạt ngô, người ta có thể chết ngay tức khắc

Asen là một thành phần tự nhiên của vỏ Trái Đất, khoảng 1 -2mg As/kg Một số quặng chứa nhiều asen như là pyrit, manhezit, Trong các quặng này, asen tồn tại ở dạng hợp chất với lưu huỳnh rất khó tan trong nước Đã thấy một số mẫu quặng chứa asen cao 10 - 1000 mg As/kg hoặc hơn

II Asen và nguồn nước:

1. Các con đường As xâm nhập vào nước:

a. Nguồn gốc tự nhiên:

Trong tự nhiên asen có trong nhiều loại khoáng vật như Realgar (As2S4), Orpoment (As2S3), Arsenolite (As2O3), Arsenopyrite( FeAsS)

Trong nước asen thường gặp ở dạng arsenic hoặc arsenate (AsO33− , AsO43−) Các hợp chất asen methyl có trong môi trường do chuyển hóa sinh học

b. Hoạt động nhân sinh:

Việc khoan giếng nước không hợp lý hoặc các cuộc khai thác mỏ có thể làm cho asen tích tụ trong đất hòa tan vào nước ngầm

Đốt nhiên liệu hóa thạch, đốt rác, nấu chảy quặng, luyện kim khai thác và chế biến quặng nhất là quặng sulfur và asenua, sản xuất và sử dụng thuốc trừ sâu diệt cỏ, phân hóa học, vũ khí hóa học

Trong nông nghiệp, sử dụng phân bón, thuốc bảo vệ thực vật chứa As, thúc đẩy As phân tán vào môi trường nước và trầm tích

c. Các quá trình sinh địa hóa

Sự phân bố rộng rãi của asen được bắt nguồn từ quá trình sinh địa hóa Điều này có nghĩa là nồng độ của asen gia tăng khi càng xuống sâu dưới các tầng đất hoặc mạch nước ngầm Sự suy thoái nguồn nước ngầm làm asen chuyển sang dạng có thể tan được trong nước

Hai trường hợp có thể tích tụ asen cao đó là:

- Tại các khu vực vũng, vịnh kín ở miền khí hậu khô hạn đến bán khô hạn

- Tại những tầng nước ngầm có tính khử mạnh, thường gặp ở vùng chứa nhiều lắng cặn, phù sa vơi nồng độ sulphate thấp Các tầng lớp lắng cặn mỏng ở địa vực thấp, nơi

có độ nghiêng thủy vực thấp, là khu vực đặc trưng chứa nhiều asen trong mạch nước ngầm

Các tầng nước ngầm có nồng độ asen cao thường ở độ sâu từ 20 – 120m

Ở dưới tầng ngầm, asen thường xuất hiện nhiều trong các hỗn hợp khoáng tạo đá Rất nhiều asen bị kết dính trong các hỗn hợp khoáng pyrite ở lưu vực phù sa

2. Cơ chế xâm nhập của của asen vào nước:

Asen xâm nhập vào nước do quá trình hòa tan các chất và quặng mỏ, do chất thải công nghiệp (nhất là trong quá trình làm thủy tinh, đồ gốm, thuộc da, sản xuất thuốc nhuộm

và chất màu để pha sơn, chất bảo quản gỗ) và sự lắng đọng trong không khí, sự oxi hóa các khoáng sunfua hoặc khử các khoáng oxi hydroxit giàu As

Nhờ các quá trình thủy địa hóa, sinh địa hóa, các điều kiện địa chất, thủy văn mà asen

có thể xâm nhập vào môi trường nước

Nếu nước dưới đất không có oxi thì các hợp chất arsenat được khử thành arsenua có độc tính cao gấp 4 lần arsenat Trong môi trường tầng đất giàu chất hữu cơ và sắt thì khả năng hấp thụ As tốt khiến tiềm năng ô nhiễm sẽ cao hơn

3. Dạng tồn tại của asen trong nước:

Trong nước arsen thường tồn tại chủ yếu dưới các dạng asenit, asenat,

monometylasonic axit, hay dimetylasinic axit… nhưng có hàm lượng rất thấp, chủ yếu asen bị thuỷ phân lắng xuống bùn Trong nước chứa nhiều ôxy, arsen tồn tại ở dạng hoá trị 5.Trong nước chứa ít ôxy ,arsen tồn tại ở dạng arsenat (III) và arsen kim loại Hàm lượng As trong nước dưới đất phụ thuộc rất nhiều vào tính chất và trạng thái môi trường địa hoá Dạng As tồn tại chủ yếu trong nước dưới đất là H2AsO4-1 (trong môi trường pH axit đến gần trung tính), HAsO4-2 (trong môi trường kiềm)

4 Tình hình chung trên thế giới về vấn đề ô nhiễm Asen

Người ta ước tính khoảng 57 triệu người đang sử dụng nước uống là nước ngầm có hàm lượng arsen cao hơn tiêu chuẩn của Tổ chức Y tế Thế giới là 10 phần tỷ

Nhiều quốc gia và khu vực khác ở Đông Nam Á, như Việt Nam, Campuchia, Tây Tạng, Trung Quốc, được coi là có các điều kiện địa chất tương tự giúp cho quá trình tạo nước ngầm giàu arsen Miền bắc Hoa Kỳ, bao gồm các phần thuộc Michigan, Wisconsin, Minnesota và Dakota cũng có hàm lượng arsen trong nước ngầm khá cao

Theo số liệu của Tổ chức Y tế thế giới về ô nhiễm Asen trong nguồn nước, nồng độ Asen trong nước giếng khoan ở khu vực Nam Iowa và Tây Missouri của Mỹ dao động

từ 0,034-0,490mg/l; ở Hungary, dao động từ 0,001- 0,174mg/l, trung bình là 0,068 mg/l;

ở khu vực Tây-Nam Phần Lan khoảng 0,017- 0,98mg/l; Mexico: từ 0,008- 0,624mg/l, có tới 50% số mẫu có nồng độ Asen >0,050mg/l Mức độ ô nhiễm Asen trong nước ngầm

ở các nước châu Á trầmtrọng hơn, nồng độ Arsen trung bình trong nguồn nước ngầm ở Tây Nam Đài Loan là 0,671mg/l Ở Tây Bengal Ấn Độ nồng độ Asen trung bình trong

nước giếng khoan của các quận dao động từ 0,193 đến 0,737 mg/l, có mẫu lên tới 3,700 mg/l

5 Ô nhiễm Asen ở Việt Nam

Tại Việt Nam, ô nhiễm arsen đã được phát hiện tại nhiều khu vực như đồng bằng sông Hồng: Hà Nội, Hưng Yên, Hà Tây, khu vực đồng bằng sông Cửu Long: An Giang, Đồng Tháp…

3 kiểu vùng có khả năng ô nhiễm arsen chủ yếu như sau:

- Vùng núi với các đá biến đổi nhiệt dịch, quặng vàng, đa kim, sulfur…Nguồn ô nhiễm là

do các quá trình tự nhiên

- Ở đồng bằng nước ngầm, nguồn ô nhiễm asen là quá trình tự nhiên (ôxy hóa khoáng vật sulfur và khoáng vật chứa asen trong trầm tích, khử các hydroxyt sắt chứa arsen )

và hoạt động nhân sinh

- Đới duyên hải nguồn ô nhiễm là hoạt đông nhân sinh, đặc biệt là sử dụng thuốc trừ sâu, diệt cỏ, vũ khí hóa học…

6 Phương pháp loại bỏ As khỏi nguồn nước

Nguyên tắc chung: Chuyển thành dạng As(V) để tạo thành hợp chất ít tan của As(V)

Ví dụ: FeAsO4, Mn3(AsO4)2, AlAsO4

Một số phương pháp loại bỏ asen:

 Keo tụ - Kết tủa

 Keo tụ bằng hóa chất

 Hấp phụ

 Công nghệ lọc

 Trao đổi Ion

 Oxi hóa

 Keo tụ - Kết tủa

Người ta bơm nước ngầm từ giếng khoan, sau đó làm thoáng để ôxy hóa sắt, mangan, tạo hydroxyt sắt và mangan kết tủa Asen (III) được oxy hóa đồng thời thành As (V), có khả năng hấp phụ lên bề mặt của các bông keo tụ Hydroxyt Sắt hay Mangan tạo thành

và lắng xuống đáy bể, hay hấp phụ và bị giữ lại lên bề mặt hạt cát trong bể lọc

 Keo tụ bằng hóa chất

Phương pháp keo tụ đơn giản nhất là sử dụng vôi sống (CaO) hoặc vôi tôi (Ca(OH)2)

để khử Asen Hiệu suất đạt khoảng 40 - 70 % Có thể sử dụng để khử Asen kết hợp với làm mềm nước Tuy vậy, phương pháp này khó cho phép đạt được nồng độ Asen trong nước sau xử lý xuống tới 10 mg/l Một hạn chế của phương pháp sử dụng vôi là tạo ra một lượng cặn lớn sau xử lý

Ngoài ra còn có thể dùng phương pháp keo tụ, kết tủa bằng Sunfat nhôm hay Clorua sắt

 Hấp phụ

Hấp phụ bằng nhôm hoạt hóa: Nhôm hoạt hóa được sử dụng có hiệu quả để xử lý

nước có hàm lượng chất rắn hòa tan cao Tuy nhiên, nếu trong nước có các hợp chất của Selen, Florua, Clorua, Sunffat với hàm lượng cao, chúng có thể cạnh tranh hấp phụ Nhôm hoạt hóa có tính lựa chọn cao đối với As(V), vì vậy mỗi lần xử lý có thể giảm tới 5 - 10 % khả năng hấp phụ Cần hoàn nguyên và thay thế vật liệu lọc khi sử dụng

Hấp phụ bằng oxyt nhôm hoạt hóa: Công ty Project Earth Industries (PEI Inc.) đã chế

tạo ra một loại vật liệu hấp phụ rẻ tiền, có nguồn gốc từ nhôm, có khả năng tách Asen ở

2 dạng tồn tại phổ biến ở trong nước là As (III) và As(V) Vật liệu hấp phụ này có đặc tính hóa học, diện tích bề mặt và độ rỗng cao, có khả năng hấp phụ cao hơn 10 lần so với các vật liệu thông thường khi có mặt các Ion cạnh tranh

Hấp phụ bằng vật liệu Laterite: Laterite là loại đất axit có màu đỏ, rất phổ biến ở các vùng nhiệt đới Có thành phần chủ yếu là các Hydroxyt Sắt và Nhôm, hoặc các oxyt ngậm nước của chúng, và một lượng nhỏ các hợp chất của Mangan, Titan Hiệu suất

xử lý đạt 50 - 90 %

Công nghệ lọc qua lớp vật liệu lọc là cát: Asen được loại bỏ khỏi nước trong bể lọc cát

là nhờ sự đồng kết tủa với Fe(III) trên bề mặt của các hạt cát và không gian giữa các lỗ rỗng trong lớp cát Hidroxit Fe(III) sẽ được hấp phụ trên bề mặt các hạt cát và tạo thành một lớp hấp phụ mỏng Asen (V) và Asen(III) trong nước sẽ hấp phụ vào lớp Fe(OH)3

đó và bị giữ lại ở lớp vật liệu lọc

Fe(II) + O2 (không khí) → Fe(III)

Fe(III) + As(III) → Fe(II) + As(V)

Fe(III) + As(V) → FeAsO4 ¯

Công nghệ lọc màng: Sử dụng các màng bán thấm, chỉ cho phép nước và một số chất

hòa tan đi qua, để làm sạch nước Tuy nhiên, phương pháp này thường rất đắt và do

đó thường được sử dụng trong những trường hợp cần thiết, bắt buộc, khó áp dụng các

phương pháp khác như khử muối, loại bỏ một số ion như Asen Có nhiều loại màng lọc được sử dụng như vi lọc, thẩm thấu ngược, điện thẩm tách, siêu lọc và lọc nano Hiệu suất và chi phí cho quá trình lọc màng phụ thuộc vào chất lượng nước nguồn và yêu cầu chất lượng nước sau xử lý

 Trao đổi Ion

Có thể loại bỏ các ion Asenat (As (V)) trong nước bằng phương pháp trao đổi ion với vật liệu trao đổi gốc anion axit mạnh (Cl-) Loại vật liệu trao đổi ion này có ưu điểm là có thể sử dụng dung dịch muối đậm đặc NaCl để hoàn nguyên hạt trao đổi ion đã bão hòa Asen Nồng độ Asen sau xử lý có thể hạ thấp tới dưới 2 ppb Tuy nhiên công nghệ trao đổi ion tương đối phức tạp, ít có khả năng áp dụng cho từng hộ gia đình đơn lẻ

Oxi hóa bằng các chất oxi hóa mạnh: Các chất oxi hóa được phép sử dụng trong cấp

nước như Clo, KMnO4, H2O2 ,Ozon

Oxi hóa điện hóa: Có thể xử lý nước chứa Asen bằng phương pháp dùng điện cực là

hợp kim và áp dụng cho các hộ sử dụng nước quy mô nhỏ

Oxi quang hóa : Chất oxy hóa có thể là oxy tinh khiết hoặc sục khí Chất hấp phụ quang

hóa có thể là Fe(II), Fe(III), Ca(II) Có thể sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn tia cực tím Phản ứng có thể xảy ra ở nhiệt độ trong phòng và ánh sáng thấp, không đòi hỏi các thiết bị phức tạp Do As(III) bị oxy hóa thành As(V) với tốc độ rất chậm, có thể sử dụng các chất oxy hóa mạnh như Cl2, H2O2 hoặc O3

III Asen và sức khỏe con người:

1. Những con đường xâm nhập của arsenic vào cơ thể:

Asen đi vào cơ thể bằng tất cả các con đường có thể như: hít thở, ăn uống và thẩm thấu qua da Trong đó, uống nước nhiễm asen là con đường chính để asen xâm nhập vào cơ thể

2. Tác hại của arsenic đến sức khỏe con người:

a. Mức độ độc hại :

Asen tự do cũng như hợp chất của nó rất độc.Trong hợp chất thì hợp chất của As(III) độc nhất Tổ chức y tế thế giới (WHO) đã xếp As vào nhóm độc hại loại A gồm: Hg, Pb,

Se, Cd, As

Người bị nhiễm độc thường có tỷ lệ bị đột biến NST rất cao

Từ lâu, As ở dạng vô cơ được sử dụng làm chất độc, một lượng lớn asen loại này có thể gây chết người

Sự nhiễm độc asen là một tai họa môi trường đối với sức khỏe con người Hiện tại trên thế giới chưa có phương pháp hữu hiệu chữa bệnh

b. Hậu quả của nhiễm độc arsenic:

Asen gây độc mãn tính do tích lũy trong gan với các mức độ khác nhau, liều gây tử vong là 0,1g (tính theo As2O3 )

Nếu bị nhiễm độc cấp tính, asen có thể gây tử vong trong vòng vài giờ đến một ngày, mức độ nhiễm nhẹ hơn có thể tổn thương các mô hay các hệ thống của cơ thể

Nó có thể gây ra 19 loại bệnh khác nhau, thường là qua đường hô hấp và tiêu hóa: