Bài báo áp dụng quy trình chiết đơn để xác định các dạng liên kết chính của các kim loại nặng Fe, Co, Mn, Ni trong trầm tích bề mặt lưu vực sông Cầu trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên.. Kết [r]
Trang 1PHÂN TÍCH DẠNG MỘT SỐ KIM LOẠI Fe, Co, Mn, Ni TRONG TRẦM TÍCH
BỀ MẶT THUỘC LƯU VỰC SÔNG CẦU – TỈNH THÁI NGUYÊN
THEO PHƯƠNG PHÁP CHIẾT ĐƠN
Phạm Thị Thu Hà * , Vũ Xuân Hòa, Bùi Minh Quý, Vương Trường Xuân
Trường Đại học Khoa học – ĐH Thái Nguyên
TÓM TẮT
Bài báo áp dụng quy trình chiết đơn để xác định các dạng liên kết chính của các kim loại nặng Fe,
Co, Mn, Ni trong trầm tích bề mặt lưu vực sông Cầu trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên Kết quả cho thấy, các kim loại Co, Mn tồn tại ở 3 dạng chính: dạng trao đổi - liên kết với cacbonat; dạng liên kết với oxit của sắt – mangan và dạng cặn dư; còn Fe, Ni tồn tại nhiều ở dạng liên kết với oxit của sắt - mangan và dạng cặn dư Sự phân bố hàm lượng tổng của các kim loại nặng không đồng đều ở các vị trí lấy mẫu và theo thứ tự Fe > Mn > Ni > Co Thông qua giá trị chỉ số tích lũy địa chất (Igeo )
và chỉ số đánh giá rủi ro (RAC) đã đánh giá được mức độ ô nhiễm của 4 kim loại trên trong các mẫu trầm tích
Từ khóa: chiết đơn, dạng kim loại, trầm tích, coban, mangan, niken, sắt, hàm lượng tổng.
ĐẶT VẤN ĐỀ*
Hiện nay, kim loại nặng được ứng dụng trong
công nghiệp, nông nghiệp, y tế và khoa học kĩ
thuật nên đã dẫn đến việc phát thải chúng ra
môi trường, làm tăng những nguy cơ về tác
động tiềm ẩn của chúng đối với sức khỏe con
người và hệ sinh thái Sắt (Fe), coban (Co),
mangan (Mn), niken (Ni) là các kim loại được
sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp
gang thép, điện tử, mạ điện phân, khai
khoáng,… Các kim loại này tồn tại, tích lũy
trong môi trường theo nhiều cách khác nhau
Trong môi trường thủy sinh, trầm tích có vai
trò quan trọng trong sự tích lũy các kim loại
nặng bởi sự lắng đọng của các hạt lơ lửng và
các quá trình có liên quan đến bề mặt các vật
chất vô cơ và hữu cơ trong trầm tích Lưu vực
Sông Cầu đoạn chảy qua tỉnh Thái Nguyên là
khu vực có nhiều mỏ khoáng sản và tập trung
nhiều các khu công nghiệp, cụm công nghiệp,
nhà máy xí nghiệp, khu đô thị nên dẫn đến
nguy cơ ô nhiễm các kim loại nặng trong trầm
tích là rất lớn Để xác định các dạng kim loại
nặng, có hai phương pháp chiết được sử dụng
đó là chiết liên tục và chiết đơn (hay chiết chọn
lọc) để tách các dạng kim loại nặng trong đất
và trầm tích Quy trình chiết liên tục là quy
trình rất phổ biến và ứng dụng rộng rãi tuy
*
Tel: 0972 998955, Email: hpthuha410@gmail.com
nhiên có hạn chế là phải thực hiện trong một thời gian khá dài do đó việc sử dụng quy trình chiết đơn nhằm mục đích rút ngắn thời gian chiết [0] Trong nghiên cứu này chúng tôi áp dụng quy trình chiết đơn dựa trên quy trình của BCR [0] và Tessier đã được cải tiến [0] để tách
4 dạng chính của các kim loại sắt, coban, mangan, niken gồm: dạng trao đổi và liên kết với cacbonat, dạng liên kết với oxit của sắt và mangan, dạng liên kết với hợp chất hữu cơ, dạng bền trong cấu trúc trầm tích [0]
THỰC NGHIỆM
Thiết bị và dụng cụ
- Máy phân tích phổ ICP-MS Nexion 300Q của hãng Perkin Elmer
- Các loại dụng cụ thủy tinh đều được ngâm rửa bằng HNO3, sau đó rửa sạch bằng nước cất, làm khô và bảo quản trước khi sử dụng
Hóa chất
Do yêu cầu nghiêm ngặt của phép đo, các loại hóa chất được sử dụng đều là hóa chất của hãng Merck Dung dịch chuẩn đều được pha
từ dung dịch chuẩn gốc 1000 ppm của Merck
Địa điểm nghiên cứu
Mẫu trầm tích được lấy tại 8 vị trí dọc theo lưu vực sông Cầu trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên
Vị trí lấy mẫu được đưa ra ở bảng 1
Trang 2Lấy mẫu, xử lý mẫu và phân tích mẫu
Mẫu trầm tích được lấy bằng thiết bị chuyên
dụng ở độ sâu 10cm và được bảo quản đưa về
phòng thí nghiệm Mẫu được sấy khô, nghiền
mịn bằng cối sứ và rây qua rây để được kích
thước hạt nhỏ hơn 0,16 mm
Bảng 1: Vị trí lấy mẫu trầm tích
Mẫu Tọa độ Ghi chú
SC01 N: 21o 35’ 56,4”
E: 105o 50’ 20,7”
Gần Cầu Gia Bảy SC02 N: 21o 36’ 20,5”
E: 105o 51’ 24,9”
Gần Cầu Oánh SC03 N: 21o 36’ 08,5”
E: 105o 51’ 24,0”
Gần Cầu Phao Linh Sơn SC04 N: 21o 34’ 56,0”
E: 105o 51’ 50,6”
Gần Cầu Huống Thượng SC05 N: 21o 34’ 38,2”
E: 105o 51’ 39,8”
Gần ngòi Núi Truyện SC06 N: 21o 34’ 10,2”
E: 105o 51’ 56,9”
Gần ngòi Trại Bầu SC07 N: 21o 34’ 22,8”
E: 105o 52’ 21,8”
Dưới ngòi Làng Cậy SC08 N: 21o 34’ 26,1”
E: 105o 52’ 35,7”
Gần đập Ba Đa
Quy trình chiết các dạng kim loại trong trầm
tích được thể hiện ở hình 1
Hình 1: Sơ đồ chiết đơn
Quy trình chiết đơn được lặp lại 3 lần, dùng
phương pháp ICP-MS để xác định hàm lượng
các kim loại nặng Hàm lượng dạng F3 được
tính toán bằng hàm lượng trong dịch chiết F3
của phương pháp được đánh giá qua việc phân tích mẫu trầm tích chuẩn MESS-3 Sự sai khác giữa hàm lượng tổng của 5 dạng khi phân tích mẫu chuẩn MESS-3 so với giá trị chứng chỉ nhỏ hơn 10% Các kết quả phân tích được thể hiện dưới dạng khối lượng khô KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Kết quả phân tích từ 8 mẫu trầm tích bề mặt được thể hiện trong bảng 2, kết quả này là kết quả trung bình của 3 lần làm lặp lại Các hình
2 và 3 mô tả sự phân bố hàm lượng % của các dạng và hàm lượng tổng của các kim loại nặng trong 8 mẫu được lấy
Hàm lượng các dạng kim loại nặng
Kết quả phân tích cho thấy sự phân bố các dạng của các kim loại nặng Fe, Co, Mn, Ni trong trầm tích là không đồng đều Trong đó,
Co và Mn tìm thấy ở các dạng F1,2, F3 và cặn dư; với hàm lượng các kim loại ở dạng F1,2
và F3 khá cao, chiếm khoảng 22,4% - 39,6% (hình 2), kết quả này tương tự như một số nghiên cứu đã được công bố [0, 0]
Các kim loại Fe và Ni tồn tại chủ yếu ở các dạng F3 và dạng cặn dư, chỉ một phần nhỏ là
ở dạng F4 Ni còn tìm thấy một phần nhỏ ở dạng F1,2 (6,6 - 9,1%) Ở dạng F3, Fe chiếm
từ 48,1 - 61,5%, Ni chiếm 4,1 - 37,3%; Trong cặn dư, hàm lượng Fe chiếm từ 29,4 - 42,0%,
Ni từ 37,9 - 60,0%; dạng F4 chứa khoảng 6,4
- 7,9% kim loại Fe, 7,0 - 16,5% Ni Sắt tìm thấy chủ yếu ở dạng F3 là do có đặc tính hấp phụ, keo tụ và đồng kết tủa với các kim loại khác của hợp chất keo của Fe - Mn oxi hydroxit [0] Tuy nhiên Mn cũng tồn tại ở dạng F1,2 khá lớn, điều này được giải thích là
do sự tương đồng giữa bán kính ion của Mn
và Ca cho phép Mn thay thế Ca ở dạng cabonat [0]
Hàm lượng tổng của các kim loại nặng
Từ kết quả nghiên cứu (bảng 2 và hình 3) cho thấy hàm lượng tổng của các kim loại sắp xếp theo thứ tự Fe > Mn > Ni >Co Đồ thị phân
bố hàm lượng tổng của các kim loại này theo
Trang 3trí SC02, SC04 và SC08 hàm lượng các kim
loại Mn, Ni, Co giảm hơn so với các vị trí
khác Riêng đối với đồ thị phân bố của hàm
lượng Fe, tại các vị trí SC02, SC04 và SC08
thì hàm lượng của Fe lại cao hơn hẳn, kết quả
này có thể là do sự thay thế các ion Fe2+
trong hợp chất FeS có trong trầm tích bằng các kim loại hóa trị II (Me2+) để tạo ra các sunfua kim loại ít tan hơn (Me2+
+ FeS → Fe2+ + MeS) [0]
Bảng 2: Hàm lượng các kim loại Co, Fe, Mn, Ni (mg/kg) của các mẫu trong các dạng tồn tại
Vị trí mẫu SC01 SC02 SC03 SC04 SC05 SC06 SC07 SC08
Co
Tổng 33,15 31,11 35,09 28,63 32,82 32,56 30,57 33,54
Fe
F1,2 67,87 90,26 86,73 94,44 71,64 92,73 78,75 105,98 F3 1814,30 2746,21 2377,16 2858,84 2161,95 2186,73 2221,76 3558,48 F4 233,95 401,44 265,96 443,42 247,12 237,89 255,79 469,68 F5 1530,92 1850,89 1136,45 2550,39 1184,34 1130,09 1780,17 2080,21 Tổng 3343,84 5093,55 3868,82 5955,92 3632,92 3640,65 4327,33 6210,43
Mn
F1,2 343,48 319,72 336,07 254,34 402,99 359,37 288,66 289,63 F3 318,22 308,26 306,93 209,38 368,88 376,18 297,69 211,65
F5 713,77 525,31 638,20 430,14 597,40 594,89 655,87 322,33 Tổng 1357,48 1204,22 1320,46 933,47 1412,51 1374,69 1285,84 863,90
Ni
Tổng 62,85 47,31 53,83 37,56 48,90 57,74 60,30 47,75
Hình 2: Sự phân bố hàm lượng % các dạng của kim loại trong trầm tích
Trang 4Hình 3: Đồ thị phân bố hàm lượng tổng của các kim loại trong trầm tích
Đánh giá mức độ ô nhiễm
Để đánh giá mức độ ô nhiễm các kim loại nặng
trong trầm tích nghiên cứu, chúng tôi dựa vào
chỉ số tích lũy địa chất Igeo (Geoaccumulation
index), chỉ số đánh giá rủi ro RAC (Risk
Asessment Code) Igeo là giá trị được tính bằng
cách so sánh hàm lượng tổng kim loại có trong
mẫu với giá trị nền của kim loại đó trong vỏ
Trái đất [0] Chỉ số RAC được tính theo phần
trăm của dạng trao đổi và dạng cacbonat [0]
Sự phân loại theo các chỉ số Igeo và RAC
được chỉ ra trong bảng 3 và 4
Chỉ số tích lũy địa chất (Igeo)
Các kết quả Igeo được chỉ ra trong hình 4 Đối
với các kim loại Fe và Mn có Igeo < 0, các kim
loại Co và Ni có 0 < Igeo < 1 Như vậy đối
chiếu với bảng 3 thì các kim loại Co, Ni ô
nhiễm ở mức độ nhẹ; còn Fe và Mn là không
ô nhiễm
Bảng 3: Phân loại mức độ ô nhiễm theo I geo
Phân
loại Giá trị I geo Mức độ ô nhiễm
1 0 ≤ I geo ≤ 1 Nhẹ
2 1 ≤ I geo ≤ 2 Trung bình
3 2 ≤ I geo ≤ 3 Khá
4 3 ≤ I geo ≤ 4 Nặng
5 4 ≤ I geo ≤ 5 Nặng rất nghiêm trọng
6 I geo > 5 Rất nghiêm trọng
Chỉ số đánh giá mức độ rủi ro (RAC)
Giá trị % RAC của các kim loại nặng được thể hiện qua đồ thị hình 5 Từ kết quả thu được so sánh với bảng tiêu chuẩn 4 cho thấy mức độ rủi ro đối với hệ sinh thái của các kim loại Fe, Ni, (trừ vị trí SC06) là thấp (% RAC
< 10%); kim loại Mn (trừ vị trí SC08) và Co (RAC = 10 - 30 %) có mức độ rủi ro trung bình, kim loại Mn ở vị trí SC08 (RAC = 33,7%) có mức độ rủi ro sinh thái ở mức cao
Bảng 4: Tiêu chuẩn đánh giá mức độ rủi ro theo
chỉ số RAC
STT Mức độ rủi ro RAC (%)
Hình 5: Giá trị % RAC của các kim loại
KẾT LUẬN
1 Đã áp dụng quy trình chiết đơn dựa trên quy trình của BCR và Tessier để xác định 04 dạng tồn tại của các kim loại nặng Fe, Co,
Mn, Ni trong trầm tích bề mặt lưu vực sông Cầu trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên
2 Phần lớn các kim loại Co, Mn tồn tại ở dạng trao đổi và liên kết với cacbonat, dạng liên kết với oxit của sắt – mangan và dạng cặn dư; Fe, Ni tồn tại nhiều ở dạng liên kết với
Trang 53 Sự phân bố hàm lượng tổng của các kim loại
nặng phân bố không đồng đều ở các vị trí lấy
mẫu và tuân theo thứ tự Fe > Mn > Ni > Co
4 Đánh giá mức độ ô nhiễm của các kim loại
nặng trong trầm tích bề mặt thuộc lưu vực
sông Cầu đoạn chảy qua tỉnh Thái Nguyên
cho thấy trầm tích bề mặt tại đây ô nhiễm các
kim loại Co, Ni ở mức độ nhẹ; còn Fe và Mn
là không ô nhiễm; các kim loại này có mức độ
rủi ro đối với hệ sinh thái thấp và trung bình,
riêng Mn ở vị trí SC08 có mức độ rủi ro ở
mức cao
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Vũ Đức Lợi, Nguyễn Thanh Nga, Trịnh Anh
Đức, Phạm Gia Môn, Trịnh Hồng Quân, Dương
Tuấn Hưng, Trần Thị Lệ Chi, Dương Thị Tú Anh
(2010), “Phân tích dạng một số kim loại nặng
trong trầm tích thuộc lưu vực sông Nhuệ và Đáy”,
tạp chí phân tích Hoá, Lý và Sinh học, tập 15, 4,
tr 26-33
2 Canepari S., Cardarelli E., Ghighi S., Scimonelli
L (2005), “Ultrasound and microwave-assisted
extraction of metals from sediment: a comparison
with the BCR procedure”, Talanta, 66, pp 1122–
1130
3 Chang Zhang, Zhi-gang Yu, Guang-ming Zeng,
Min Jiang, Zhong-zhu Yang, Fang Cui,
Meng-ying Zhu, Liu-qing Shen, Liang Hu (2014),
“Effects of sediment geochemical properties on heavy metal bioavailability” Environment International, 73, pp 270–281
4 Muhammad B A., Tasneem G K., Muhammad
K J., Nusrat J., Hassan I A., Jameel A B (2008),
“Speciation of heavy metals in sediment by conventional, ultrasound and microwave assisted single extraction methods: A comparison with
modified sequential extraction procedure”, Journal
of Hazardous Materials 154, pp 998–1006
5 Muhammad Saleem, Javed Iqbal, Munir H Shah (2015) “Geochemical speciation, anthropogenic contamination, risk assessment and source identification of selected metals in freshwater sediments—A case study from
Mangla Lake, Pakistan”, Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management 4,
pp 27–36
6 Rath P, Panda UC, Bhata D, Sahu KC (2009),
“Use of sequential leaching, mineralory, and multivariate statistical technique for quantifying metal pollution in highly polluted aquatic sediments – a case study: Brahmani and Nandira
Rivers India”, Journal of Hazardous Materials,
vol 163, pp 632-644.
7 Shou Zhao, Chenghong Feng, Yiru Yang, Junfeng Niu, Zhenyao Shen (2012) “Risk assessment of sedimentary metals in the Yangtze Estuary: New evidence of the relationships between two typical index
methods” Journal of Hazardous Materials,
241– 242, pp 164– 172
SUMMARY
SPECIATION OF Co, Fe, Mn, Ni IN SURFACE SEDIMENTS OF CAU RIVER
BASIN – THAI NGUYEN PROVINCE BY SINGLE EXTRACTION METHOD
Pham Thi Thu Ha * , Bui Minh Quy, Vu Xuan Hoa, Vuong Truong Xuan
University of Science - TNU
A single extraction procedure was applied to determine the distribution of heavy metal fractions (Fe, Co, Mn, Ni) in the sediment samples collected at Cau river, located in Thai Nguyen province The results showed that Fe, Co, Mn and Ni were found mainly in three fractions: exchangeable and carbonate fraction, bound to Fe-Mn Oxides and residual fraction; Fe and Ni existed mainly as residual fraction and associated with iron - manganese oxide fraction The distribution of the total content of heavy metals was uneven and followed the order: Fe > Mn > Ni > Co The contamination levels of four metals in the studied sediment was assessed by the geoaccumulation index (Igeo) and Risk Assessment Code (RAC)
Keywords: single extraction, speciation of metals, sediment, Co, Mn, Ni, Fe, the total content
Ngày nhận bài: 09/6/2017; Ngày phản biện: 10/7/2017; Ngày duyệt đăng: 30/9/2017
*
Tel: 0972 998955, Email: hpthuha410@gmail.com