TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊNKHOA MÔI TRƯỜNG Môn: Phân Tích Chất Lượng Môi Trường Đất Nước Sự hình thành N-nitrosamine trong nước hồ bơi bởi bức xạ UV của hợp chất chứa clo của cá
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA MÔI TRƯỜNG
Môn:
Phân Tích Chất Lượng Môi Trường Đất Nước
Sự hình thành N-nitrosamine trong nước hồ bơi bởi bức xạ UV của hợp chất chứa clo của các amine bậc 2 với sự có mặt của
GVHD: TS Tô Thị Hiền
Họ và tên: Dương Hồng Phúc
1022221
Trần Hoài Thanh 1022261
Lớp 10Cmt Nhóm 14
Trang 3Tổng Quan
N- nitrosamine, đặc biệt là N- nitrosodimethylamine (NDMA), là chất gây ung thư, trong đó xảy ra như khử trùng clo các sản phẩm (DBPs) trong hồ bơi và bồn tắm nước nóng
Xử lý tia cực tím là một kỹ thuật thường được sử dụng trong khử trùng hồ bơi và suy giảm DBP Tia cực tím được biết là làm suy giảm hiệu quả N- nitrosamine Tuy nhiên, tia UV (tại = 254 nm) của clo DIMETHYLAMINE (CDMA) và monochloramine, hai tiền thân NDMA hiện tại trong hồ nước hồ bơi, dẫn đến hình thành NDMA đáng kể (khoảng 1-2 % phân tử dựa trên nồng độ CDMA ban đầu) đồng thời quang phân NDMA Nồng độ tối đa NDMA đã được tìm thấy ở liều tia cực tím trong phạm vi sử dụng cho quá trình oxy hóa nâng cao ( 350-850 mJ.cm-2) Kết quả tương tự đã được tìm thấy cho clo amin thứ cấp khác,
cụ thể là diethylamine và morpholine Hiệu quả của tia UV cho N- nitrosamine giảm nhẹ phụ thuộc vào N- nitrosamine ban đầu và nồng độ tiền chất và liều lượng tia cực tím áp dụng Hình thành N- nitrosamine được đưa ra giả thuyết xảy ra thông qua phản ứng của oxit nitric hoặc peroxynitrite với gốc aminyl thứ cấp, là sản phẩm từ sự quang phân monochloramine và clo amin thứ cấp tương ứng Thí nghiệm với nước hồ bơi cho thấy xu hướng tương tự đã được quan sát trong điều kiện nước hồ bơi Xử lý tia cực tím ( UV liều : W360 mJ.cm-2) làm tăng nhẹ nồng độ NDMA trong nước hồ bơi thay vì dự kiến giảm 50% trong trường hợp không có tiền thân NDMA
1 Giới thiệu:
Do tính chất gây ung thư của chúng, N-nitrosamine là mối quan tâm cao trong các sản phẩm thực phẩm, nước uống và tất cả các sản phẩm hằng ngày (ví dụ như thuốc lá, mỹ phẩm) Mặc dù tiếp xúc chính với N-nitrosamine xảy ra thông qua thức ăn, sự hấp thu chất nitrosamine thông qua nước uống có thể có liên quan Nghiên cứu nhiều nhất N-nitrosamine
là N-nitrosodimethylamine (NDMA) là gây đột biến với nguy cơ ung thư 10-6 cho nồng độ 0,7 ng /L trong nước uống Tuy nhiên, chỉ có một vài cơ quan quản lý đã thiết lập các tiêu chuẩn cho NDMA trong nước khoảng 10 ng/L Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đặt ra một giá trị hướng dẫn của 100 ng /L được thông qua như giá trị mục tiêu của Nhật Bản N-nitrosamine được đo trong nước uống, nước mặt và nước thải ở các mức nồng độ tương ứng
≤100 ng/L, ≤ 60 ng /L, và 8-400 ng /L Gần đây, mối quan tâm đã nảy sinh về nồng độ N-nitrosamine trong nước bể bơi NDMA được đo trong hồ bơi và bồn tắm nước nóng với
Trang 4nồng độ lên đến 450 ng /L Những phát hiện này có liên quan đến nghiên cứu dịch tễ học, cho thấy một mối tương quan giữa bơi trong nước hồ bơi và nguy cơ phát triển ung thư ruột NDMA là một sản phẩm phụ khử trùng (DBP) trong nước khử trùng bằng clo và chloraminated Hình thành của nó trong hồ bơi được giả định là xảy ra chủ yếu thông qua các phản ứng chậm của monochloramine với DIMETHYLAMINE (DMA) thông qua sự hình thành của dimethylhydrazine không đối xứng (UDMH) như một chất trung gian Schreiber và Mitch (2006) cho thấy sự hình thành NDMA chủ yếu trong nước hồ bơi xảy ra thông qua con đường dichloramine, trong đó bao gồm các quá trình oxy hóa của UDMH thành NDMA bởi sự kết hợp của oxy hòa tan Một hình thành nhanh hơn của NDMA, song song với sự hình thành dimethylnitramine (DMNA), xảy ra tại điểm dừng clo hóa liên quan đến nitrit, clo tự do và DMA như tiền chất Schreiber và Mitch (2007) không tiết lộ cơ chế phản ứng chính xác, nhưng cho rằng sự hình thành liên quan đến peroxynitrite và các gốc hydroxyl (OH*) hơn là đinitơ tetroxide như được mô tả trong nghiên cứu trước đây Con đường hình thành N-nitrosamine khác được báo cáo từ các phản ứng của amin thứ cấp (ví
dụ như morpholine) với tác nhân nitrosating như nitric oxide hoặc peroxynitrite Sự hình thành thông qua các peroxynitrite đã được báo cáo để tạo ra N-nitramines tương ứng như một sản phẩm phụ cho N-nitrosamine Đối với morpholine, tỷ lệ hình thành N-nitramine và N-nitrosamine phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nồng độ pH hoặc cacbonat
Trong khi có rất nhiều con đường hình thành N-nitrosamine, chỉ có một vài chiến lược giảm nhẹ N-nitrosamine được coi là có hiệu quả Nghiên cứu khác nhau cho thấy để ngăn chặn sự hình thành N-nitrosamine bởi quá trình oxy hóa tiền chất với O3, ClO2, Fe (VI) và
Cl2.Sau khi hình thành, quang phân là chiến lược giảm nhẹ N-nitrosamine hiệu quả nhất, đặc biệt là cho NDMA Plumlee và Reinhard (2007) báo cáo rằng nhiều N-nitrosamine có quang phổ hấp thụ tương tự và sản lượng lượng tử Hằng số tỷ lệ độ dòng UV của NDMA hầu như không khác nhau cho đèn áp lực thấp và trung bình nhưng thay đổi pH và nồng độ ban đầu Ngoài việc khử trùng, xử lý tia cực tím trong hồ bơi được sử dụng để làm giảm nồng độ chloramine để đạt tiêu chuẩn quy định và để ngăn chặn sự hình thành DBP Liều lượng tia cực tím cần thiết cho một sự phân hủy 50% monochloramine, các chloramine chiếm ưu thế trong nước hồ bơi, được báo cáo là khoảng 700 mJ/cm2 ( = 254 nm) Điều này là ở liều tia cực tím cuối thấp hơn đặc trưng cho quá trình tiền oxy hóa (750-1500 mJ/cm2) và trên những đối tượng để khử trùng (40-100 mJ/cm2) Tại Thụy Sĩ, nước hồ bơi được tái tuần hoàn thông qua hệ thống xử lý và nó thường được chiếu xạ với một liều lượng tia cực tím
Trang 5của 40-100 mJ/cm2 trong mỗi chu kỳ xử lý Số lượng trung bình của chu kỳ xử lý mà kinh nghiệm nước hồ bơi có thể được tính từ thời gian lưu lại trong hệ thống và thời gian lưu nước trong hồ bơi
Nó đã được chứng minh rằng việc xử lý tia cực tím của nước hồ bơi đã clo hóa cũng có thể làm tăng nồng độ của DBPs khác (ví dụ như THM, dichloromethylamine, dichloroacetonitrile, cyanogen chloride) Các nghiên cứu khác cho thấy, chiếu xạ tia cực tím
có thể gây ra sự hình thành NDMA, ví dụ như sự bức xạ của nitrat hoặc nitrit trong sự hiện diện của DIMETHYLAMINE (DMA) Tuy nhiên, sản lượng N-nitrosamine trong những nghiên cứu này thấp và chỉ thích hợp trong điều kiện khắc nghiệt Thực tế là dạng quang phân NDMA tạo thành tiền chất của nó một lần nữa (ví dụ như DMA và nitrit) không phải
là vấn đề vì sản lượng NDMA từ các chất này là rất thấp (0,2% sau 24 giờ trong sự hiện diện của clo tự do) Tuy nhiên, sự quang phân chloramines dẫn đến một số dạng nitơ phản ứng như gốc tự do aminyl, nitric oxide, peroxynitrite, và nitrit có thể dẫn đến N-nitrosamine trong sự kết hợp với các amin thứ cấp Oxit nitric có thể phản ứng với peroxynitrite trong sự hiện diện của superoxide
Tuy nhiên, sự quang phân chloramines dẫn đến một số phản ứng của nitơ Kể từ khi nồng độ của chloramines và amin thứ cấp là quan trọng trong hồ bơi, nó có thể được đưa ra giả thuyết rằng việc xử lý tia cực tím có thể gây ra đồng thời sự suy thoái N-nitrosamine, mà
đã có trong giải pháp, và sự hình thành N-nitrosamine mới
Mục tiêu của nghiên cứu này là để điều tra xử lý tia cực tím là một lựa chọn giảm nhẹ cho N-nitrosamine trong nước hồ bơi chloraminated Sự hình thành tia UV và xử lý chất thải của NDMA, một mô hình hợp chất chung của N-nitrosamine đã được nghiên cứu trong nước có chứa monochloramine và DIMETHYLAMINE clo hóa Hơn nữa, động học của các tia cực tím gây ra con đường chính hình thành NDMA trong nước hồ bơi được làm sáng tỏ
và tác dụng của nó đối với sự hình thành của N-nitrosamines khác (N-nitrosodiethylamine, N-nitrosomorpholine) được đánh giá Sự liên quan của sự hình thành N-nitrosamine tia UV cũng được điều tra trong mẫu nước hồ bơi
2 Vật liệu và phương pháp
Trang 62.1 Thuốc thử
Tất cả các hóa chất đã phân tích và sử dụng mà không cần tinh chế thêm Dimethylamin (DMA), amoni clorua, tert-butanol (t-BuOH), morpholine (Mor), diethylamine (DEA), sodium hypochlorite (6 -14% clo), và natri nitrat được lấy từ SigmaeAldrich Nitro-sodimethylamine (NDMA), nitrosodiethylamine (NDEA), và N-nitrosamine (EPA) bao gồm N-nitrosomorpholine (NMor) được mua từ Supelco Natri sunfat, dinatri carbonate, acid ascorbic, natri dihydrogenphosphate và dinatri hydrogenphosphate được lấy từ Merck N Nitrodimethylamine (còn được gọi là dimethylnitramine (DMNA)) đã được mua từ Cambridge Nước Ultrapurified được sản xuất bởi "Barnstead nanopure" hệ thống lọc nước từ Thermo Scientific
Nồng độ của dung dịch hypochlorite được định lượng bằng dãy quang phổ tại bước sóng 292 nm (hệ số hấp thụ phân tử 350 M- 1 cm- 1) Dung dịch gốc của các amin thứ cấp (clo DIMETHYLAMINE (CDMA), clo diethylamine (CDEA) và clo morpholine (CMor))
đã được sản xuất ngay trước khi thí nghiệm bằng cách cho phản ứng mãnh liệt giữa các amin thứ cấp với hypoclorit (tỷ lệ mol N/Cl 1:1) trong vài giây Các dung dịch đã được lưu giữ trong chai kín với rất ít khoảng trống để ngăn chặn sự mất mát do bay hơi Dung dịch monochloramine (NH2Cl) chuẩn mới được chuẩn bị mỗi ngày với sự thay đổi nhỏ trong phương pháp của Shang và Blatchey bằng cách cho ammoni clorua phản ứng với hypoclorit (tỉ lệ mol N/Cl 1:1) Với một máy bơm 2 ống kép và một hệ thống khuấy T tại pH 9.5 Dung dịch NH2Cl được định lượng bằng phương pháp Schreiber và Mitch (2005) Quan sát sự hấp thu của NH2Cl và NHCl2 tại ƛ= 245 and 295 nm (NH2Cl ε245 nm =445 M-1cm-1, ε295nm =
14 M-1cm-1; NHCl2: ε245nm = 208 M-1cm-1, ε295nm = 267 M-1cm-1) Sự phân ly NH2Cl đáng
kể nếu các thí nghiệm được tiến hành ở pH trung tính hoặc axit với nồng độ NH2Cl cao và đệm photphat Vì vậy, độ ổn định NH2Cl là động học theo mô phỏng theo dữ liệu từ Jafverrt
và Valentine để xác minh rằng NH 2Cl không phân tách theo các điều kiện thử nghiệm
2.2 Phương pháp phân tích
2.2.1 N-nitrosamine và dimethylnitramine (thí nghiệm trong nước siêu tinh khiết).
Nồng độ của N-nitrosamine và dimethylnitramine (DMNA) trong thí nghiệm với nước tinh khiết và atrazine mẫu actinometry được phân tích bằng phương pháp sắc ký lỏng (HPLC) được trang bị một UVevisible hấp thụ dò mảng diode N-nitrosamine tiến hành với một G2500PWXL TSKgel và atrazine tách được tiến hành với Nucleosil 100-5 C18 cột N-nitrosamine và atrazine được phát hiện ở bước sóng 228 nm và 254 nm Các giới hạn định
Trang 7lượng là xung quanh 0,25 M N-nitrosamine và DMNA với một độ chính xác khoảng 0.5
%
Các phân tích mẫu nước hồ bơi được thực hiện bằng phương pháp HPLC được trang
bị cột Griess hệ thống tinh khiết Chiết pha rắn (SPE) của N-nitrosamine được thực hiện trước khi phân tích Thủ tục SPE và hệ thống phân tích được mô tả chi tiết ở nơi khác Đối với phương pháp này, giới hạn phát hiện (3,4.SD) và định lượng (10.SD) của N-nitrosodimethylamine lần lượt là 0.08 nM và 0.22 nM Tất cả các mẫu trong nghiên cứu này
đã có một tín hiệu nhiễu và hệ thống phân tích được mô tả chi tiết ở nơi khác Tất cả các mẫu trong nghiên cứu này đã có một tín hiệu tỉ lệ nhiễu (S / N)> 3 (chỉ có một mẫu với 2 <S / N <3) và trong nhiều nơi hiệu chuẩn cho thấy một tuyến tính tốt
NH2Cl và CDMA
Các biện pháp đo lường độ tinh khiết của NH2Cl và CDMA được thực hiện trên một máy quang phổ NH2Cl được phân tích như mô tả ở trên Sự suy giảm CDMA được đo bằng cách giám sát độ hấp thụ tối đa tại bước sóng 265 nm (ε 265 nm =297 16 M -1cm -1) Vì quang phổ hấp thụ NH2Cl và CDMA ảnh hưởng nhau nên chúng không thể nào đo được khi
có mặt trong cùng một dung dịch
pH
Đo pH được thực hiện với một điện cực pH Hiệu chuẩn được thực hiện với các giải pháp đệm pH 7 và 9
2.3 Mẫu nước hồ bơi
Mẫu nước hồ bơi được thu thập từ hai bể bơi trong nhà công cộng khác nhau (Bảng 1) Trong cả hai hồ bơi, nước điều trị bao gồm lọc và khử trùng bằng clo Clo tự do và clo kết hợp được đo bằng cách đo màu, DPD-bộ kiểm tra tại chỗ PH được đo tại chỗ với một điện cực pH và duy trì ổn định ( 0.1) từ lấy mẫu đến khi kết thúc thí nghiệm
Chuẩn bị mẫu
Trang 8Chiết pha rắn là cần thiết để xác định số lượng N-nitrosamine trong nước bể bơi (1 lít) Thời gian chiếu xạ của mẫu đã chọn là 7,5 phút (W360 mJ.cm -2) Vì chỉ có khoảng 150
ml mẫu có thể được chiếu xạ trong lò phản ứng UV trong một lần chạy thử, chiếu xạ theo từng bước của mẫu kéo dài gần 2 giờ Mẫu trắng (không có tia UV) được giữ ở nhiệt độ phòng (23 1oC) trong phòng thí nghiệm và bảo quản tại cùng một thời gian như các mẫu chiếu xạ Tất cả các thí nghiệm nước hồ bơi đã được tiến hành trong vòng 12 giờ sau khi lấy mẫu nước hồ bơi
Bảng 1- Đặc điểm của hồ và nước trong hồ
2.4 Thí nghiệm UV
Thí nghiệm UV được thực hiện với áp suất thủy ngân thấp đèn phát quang ánh sáng đơn sắc l tại bước sóng 254 nm thí nghiệm đã được thực hiện tại 25 0.2 oC Liều tia cực tím được đo thường xuyên chi tiết về các lò phản ứng UV và thực hiện actinometry hóa học với atrazine có thể được tìm thấy ở những nơi khác Mẫu trắng (không có tia UV) được giữ trong ngăn chặn-bình thể tích pered trong phòng thí nghiệm tại nhiệt độ phòng (23 1oC) trong suốt quá trình thí nghiệm Tất cả các mẫu (chiếu xạ và mẫu trắng) đã được làm nguội sau khi chiếu xạ với acid ascorbic dư để ngăn chặn sự hình thành N-nitrosamine Thiosulfate đã được sử dụng trong một số nghiên cứu trước đó cho dập tắt N-nitrosamine Tuy nhiên, thí nghiệm cho thấy rằng thiosunfat không phải là một tác nhân làm nguội thích hợp để ngăn chặn sự hình thành N-nitrosamine trong sự hiện diện của nitrit và DMA từ đó cho thấy rằng thiosunfat không có ý nghĩa trong việc hình thành NDMA được quan sát thấy trong dung dịch
3 Kết quả và thảo luận
3.1 NDMA hình thành trong quá trình chiếu xạ tia cực tím
Để nghiên cứu sự hình thành NDMA do tia cực tím, mẫu tiền chất monochloramine (NH2Cl) và clo DIMETHYLAMINE (CDMA) được chiếu xạ CDMA đã được lựa chọn thay vì DMA bởi vì clo hóa DMA là một quá trình nhanh trong nước hồ bơi khi xử lý bằng chlorine (Kapp ở pH 7 104M- 1s-1) Do đó, có khả năng là các amin clo như CDMA và không amin như DMA sẽ có mặt trong nước hồ bơi Do đó, các amin thứ cấp thường được
Trang 9tìm thấy trong hồ bơi như creatinine, L-arginine hoặc L-histidine Chiếu xạ tia cực tím của dung dịch chứa CDMA và NH2Cl, cường độ UV phụ thuộc vào mức độ hình thành của NDMA (Hình 1) Sự hình thành NDMA tăng trong giai đoạn đầu tiên (liều tia cực tím <350 mJ.cm-2) và vẫn ở mức cao (350 mJ cm-2 <UV <700 mJ cm-2) trước khi nó giảm Sự gia tăng NDMA là do NDMA hình thành từ các sản phẩm của công nghệ CDMA và NH2Cl quang phân Đồng thời, NDMA cũng photolysed trong điều kiện sử dụng tia cực tím Do đó, nồng
độ NDMA tăng tại cường độ UV thấp khi sự hình thành NDMA chiếm ưu thế Sau đó, sư hình thành NDMA giảm vì NDMA hình thành từ sự quang phân từ tiền chất giảm do sự cạn kiệt của chúng và lúc này chỉ còn lại NDMA bị giảm do quá trình quang phân
Hình 1 Đường biểu diễn NDMA theo liều lượng của UV
Để khảo sát tác động của pH đến quá trình hình thành NDMA, thí nghiệm chiếu xạ được thực hiện tại nồng độ ban đầu duy nhất của NH2Cl và CDMA (2,5 mM) và tại các giá trị pH khác nhau (6.5, 7, 7.5 và 8) Nồng độ NDMA trong mẫu chiếu xạ cho thấy hầu như không có sự phụ thuộc vào độ pH, ngoại trừ một sự tăng nhẹ NDMA ở pH 8 tại cường độ tia cực tím dưới 500 mJ.cm- 2 Điều này cho thấy rằng các tia cực tím gây ra sự hình thành NDMA cũng như giảm NDMA không bị ảnh hưởng nhiều bởi những thay đổi độ pH trong khoảng 6,5 - 8 Nghiên cứu trước đây báo cáo ảnh hưởng của pH trên NDMA quang phân cho giá trị pH thấp hơn (pH= 3 và 9.4)
Trang 10S hình thành NDMA trong m u chi u x có ch a [CDMA = 2.5mM] và [NH2Cl = 2.5mM] ẫu chiếu xạ có chứa [CDMA = 2.5mM] và [NH2Cl = 2.5mM] ếu xạ có chứa [CDMA = 2.5mM] và [NH2Cl = 2.5mM] ạ có chứa [CDMA = 2.5mM] và [NH2Cl = 2.5mM] ứa [CDMA = 2.5mM] và [NH2Cl = 2.5mM] trong s ph thu c vào pH(6.5-8) M u tr ng đẫu chiếu xạ có chứa [CDMA = 2.5mM] và [NH2Cl = 2.5mM] ắng được bảo quản trong cùng một điều kiện mà ược bảo quản trong cùng một điều kiện mà c b o qu n trong cùng m t đi u ki n mà ảo quản trong cùng một điều kiện mà ảo quản trong cùng một điều kiện mà ều kiện mà ện mà không có chi u x tia c c tím S hình thành NDMA trong m u chi u x đ i v i pH 7.5 và pH ếu xạ có chứa [CDMA = 2.5mM] và [NH2Cl = 2.5mM] ạ có chứa [CDMA = 2.5mM] và [NH2Cl = 2.5mM] ẫu chiếu xạ có chứa [CDMA = 2.5mM] và [NH2Cl = 2.5mM] ếu xạ có chứa [CDMA = 2.5mM] và [NH2Cl = 2.5mM] ạ có chứa [CDMA = 2.5mM] và [NH2Cl = 2.5mM] ối với pH 7.5 và pH ới pH 7.5 và pH
8 không th ti p t c chi u x cao h n cếu xạ có chứa [CDMA = 2.5mM] và [NH2Cl = 2.5mM] ếu xạ có chứa [CDMA = 2.5mM] và [NH2Cl = 2.5mM] ạ có chứa [CDMA = 2.5mM] và [NH2Cl = 2.5mM] ơn cường độ 1200mJcm-2 vì peak có sự nhiễu xạ đáng kể ường độ 1200mJcm-2 vì peak có sự nhiễu xạ đáng kểng đ 1200mJcm-2 vì peak có s nhi u x đáng kễu xạ đáng kể ạ có chứa [CDMA = 2.5mM] và [NH2Cl = 2.5mM] trong s t kí đ ắng được bảo quản trong cùng một điều kiện mà ồ
Hình 2.Sự hình thành NDMA trong mẫu chiếu xạ có chứa [CDMA = 2.5mM] và [NH 2 Cl = 2.5mM] phụ thuộc vào pH(6.5-8) Mẫu trắng được bảo quản trong cùng một điều kiện mà không có chiếu xạ tia cực tím
Tuy nhiên, pH cũng ảnh hưởng đến sự hình thành NDMA trong mẫu trắng (không có tia UV) được nhận thấy rõ rệt hơn ở pH khoảng 6.5-8, tối đa ở pH 7.5 Sự hình thành này phụ thuộc vào nồng độ tiền chất và vào thời gian phản ứng, hình thành NDMA đang chậm lại ở nồng độ thấp Sự hình thành gây ra bởi tia UV phụ thuộc vào nồng độ tiền chất và vào cường độ tia cực tím Ngoài ra, sản lượng NDMA trong sự hình thành NDMA tia UV có thể
bị ảnh hưởng nhẹ nồng độ tiền chất do phản ứng cạnh tranh tiềm năng Tóm lại, người ta cho rằng tia UV – tác nhân hình thành NDMA có tầm quan trọng khi nồng độ tiền chất thấp
do sự hình thành chậm hơn khi không có chiếu xạ tia cực tím
3.2 Sự hình thành NDMA theo nồng độ tiền chất
Ảnh hưởng của nồng độ tiền chất lên quá trình hình thành NDMA với cường độ cực tím là 830 mJ.cm-2 được khảo sát bằng cách thay đổi nồng độ ban đầu của một tiền chất (0-5