Tóm tắt dự thảo luận án tiến sĩ sinh học nghiên cứu sự rửa trôi asen trong nước ngầm tại đồng bằng sông hồng

  • 24 trang
  • file .pdf
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Ô nhiễm Asen (As) trong nước ngầm xảy ở nhiều nơi trên thế giới,
đặc biệt là ở khu vực Nam và Đông Nam Á. Theo các nghiên cứu ở
khu vực này cho thấy, ô nhiễm As thường xảy ra trong tầng ngậm
nước trẻ Holocene ở các đồng bằng châu thổ được bồi đắp phù sa bởi
các con sông lớn bắt nguồn từ dãy núi Himalaya. Cơ chế giải thích cho
sự xuất hiện của As được chấp nhận rộng rãi là cơ chế khử hòa tan
khoáng sắt oxit giàu As. Trong khi đó, tầng chứa nước Pleistocene cổ
hơn, nằm sâu hơn so với tầng Holocene ít bị ô nhiễm As hơn. Nguyên
nhân là do tầng này chịu sự rửa trôi lâu hơn của các dòng nước ngầm
qua các thời kì băng hà và băng tan hoặc do các trầm tích Pleistocene
có tính oxi hóa nên có khả năng lưu giữ hấp phụ As chặt hơn.
Cùng với sự phát triển kinh tế và xã hội là nhu cầu sử dụng và khai
thác nước ngầm ngày một tăng. Các hoạt động khai thác nước ngầm
của người dân chủ yếu diễn ra ở tầng nông Holocene với độ sâu <50m
và phân bố rộng trên toàn đồng bằng Sông Hồng. Trong khi đó, hoạt
động khai thác nước ngầm với công suất lớn của các nhà máy nước
diễn ra chủ yếu ở phía khu vực phía Nam Hà Nội – nơi có Sông Hồng
chảy qua. Theo báo cáo của liên đoàn địa chất Việt Nam: tổng công
suất khai thác nước ngầm trên toàn thành phố là 1.100.000m3/ngày
đêm, trong đó chỉ riêng khu vực phía Nam là 700.000m3/ngày đêm.
Các nhà máy nước ở khu vực này tiến hành khai thác nước ngầm ở
tầng Pleistocene ở độ sâu 50-100m và kết hợp với kĩ thuật lọc thấm
bờ. Lọc thấm bờ là quá trình nước mặt thấm qua đáy sông, hồ, các lớp
trầm tích và đi vào tầng ngậm nước gần kề một cách tự nhiên. Và nếu
chúng ta xây dựng một hệ thống bơm gần các sông hồ, sẽ tạo ra quá
trình thấm cưỡng bức do sự thăng giáng về thủy lực giữa nước ngầm
và nước sông. Hệ lọc tự nhiên là tốt vì có thể hạn chế quá trình xử lý
thứ cấp nhưng nếu các tầng ngậm nước phía trên chứa các chất ô
nhiễm khó lọc bằng mặt cơ học thì sẽ xảy ra nguy cơ lan truyền ô
nhiễm trong toàn bộ tầng chứa nước ngầm bên dưới.
Ô nhiễm As trong nước ngầm ở đồng bằng Sông Hồng được phát
hiện vào năm 1998. Kể từ đó đến nay có rất nhiều nghiên cứu được
1
tiến hành. Hầu hết các kết quả nghiên cứu đều cho thấy hàm lượng As
trong nước ngầm đều vượt quá tiêu chuẩn cho phép của tổ chức y tế
giới WHO 10µg/L và chủ yếu xảy ở tầng nước ngầm nông Holocene.
Tuy nhiên, gần đây các nghiên cứu ở khu vực phía Nam Hà Nội có
những phát hiện mới đi ngoài xu hướng trên đó là tại những khu vực
này As xuất hiện với nồng độ cao trong cả tầng nông Holocene và tầng
sâu Pleistocene. Các nghiên cứu cho rằng chính việc bơm khai thác
nước đã khiến cho As lan truyền từ tầng Holocene xuống tầng
Pleitocene. Tuy nhiên các nghiên cứu này chỉ dừng lại ở việc phát hiện
chứ chưa có các bằng chứng địa hóa cụ thể để chứng minh.
Nhằm góp phần cung cấp các bằng chứng về mặt địa hóa cho sự
rửa trôi As dưới tác động của việc bơm khai thác nước, tác giả đã lựa
chọn đề tài: “Nghiên cứu sự rửa trôi Asen trong nước ngầm tại
đồng bằng Sông Hồng”.
Mục tiêu nghiên cứu: Tìm hiểu về con đường giải phóng As từ
trầm tích vào nước ngầm trong tầng Holocene và nghiên cứu sự vận
động của As từ tầng Holocene xuống tầng Pleistocene dưới tác động
của bơm khai thác nước. Từ đó đánh giá ảnh hưởng của việc khai thác
nước đến nguy cơ lan truyền As từ tầng Holocene xuống tầng
Pleistocene tại khu vực Nam Dư – Hoàng Mai – Hà Nội.
2. Nội dung luận án
Để đạt được mục tiêu đề ra, luận án tập trung vào 2 nhóm nội
dung chính sau:
 Về phương pháp:
(1) Tối ưu quy trình chiết phân đoạn As trên các pha khoáng trong trầm
tích: lựa chọn tác nhân chiết, thời gian chiết và điều kiện tiến hành chiết.
(2) Lựa chọn điều kiện tiến hành thí nghiệm hấp phụ, giải hấp phụ As
trên trầm tích tự nhiên trong điều kiện yếm khí nghiêm ngặt: khảo sát
điều kiện yếm khí, dung dịch nền, thời gian hấp phụ đạt cân bằng..
 Ứng dụng vào nghiên cứu các quá trình dịch chuyển As trong các
tầng chứa nước Holocene và Pleistocene:
(1) Nghiên cứu sự phân bố của As trên các pha khoáng trong trầm tích
nhằm tìm ra nguồn giải phóng As từ trầm tích vào nước ngầm.
2
(2) Định lượng quá trình hấp phụ, giải hấp phụ As(III), As(V) lên trầm tích.
(3) Nghiên cứu các bằng chứng về sự rửa trôi As từ trầm tích ra nước
ngầm trong tầng Holocene dựa vào mối tương quan giữa As trong
trầm tích và nước ngầm; mối tương quan giữa As và các thành phần
hóa học trong nước ngầm.
(4) Nghiên cứu các bằng chứng về sự dịch chuyển As từ tầng Holocene
xuống tầng Pleistocene dưới tác động của khai thác nước ngầm: so
sánh thành phần hóa học trong nước sông, nước ngầm Holocene, nước
ngầm Pleistocene ở khu vực khai thác.
3. Những điểm mới về khoa học của luận án
Luận án đã tối ưu được quy trình chiết phân đoạn As trong trầm tích.
Lựa chọn được 5 tác nhân chiết: NaHCO3 0,5M, pH 8,5; HCOOH 0,5M,
pH 3; Axit ascobic 0,1M, pH 3; hỗn hợp NH4 – oxalat 0,2M và axit
ascobic 0,1M; HNO3 65% tương ứng với 5 pha liên kết chính của As trong
trầm tích: pha hấp phụ; pha khoáng dễ hòa tan; pha khoáng sắt hoạt động;
pha khoáng sắt tinh thể và pha khoáng sắt pyrit. Bốn pha chiết đầu tiên
được thực hiện trong điều kiện yếm khí, thời gian chiết tối ưu là 6 giờ. Quy
trình này có độ lặp tốt với độ lệch chuẩn tương đối nhỏ hơn 10%.
Luận án đã lựa chọn được các điều kiện tiến hành thí nghiệm hấp
phụ và giải hấp phụ của As trên trầm tích tự nhiên trong điều kiện yếm
khí nghiêm ngặt: sử dụng dung dịch nền NaHCO310mM với thời gian
hấp phụ đạt cân bằng là 3 ngày, điều kiện yếm khí trong glove box
được tạo ra bằng hỗn hợp khí N2:H2 (97%:3%), qua xúc tác Pd và
dung dịch Fe(II).
Luận án đã tìm được trong trầm tích tại khu vực Nam Dư (0,9m
đến -40m), As tồn tại chủ yếu trên pha khoáng sắt tinh thể. Đây là pha
khoáng chính chứa As, là nguồn chủ yếu giải phóng As từ trầm tích
vào nước ngầm trong môi trường khử. Đồng thời khả năng hấp phụ
của As(V) trong trầm tích tại khu vực Nam Dư cao hơn so với As(III)
từ 7-10 lần. Quá trình hấp phụ và giải hấp phụ của As(III) là thuận
nghịch, trong đó đối với As(V) thì kém thuận nghịch hơn. Kết qua này
góp phần chứng tỏ As(III) linh động hơn so với As(V) và làm rõ hơn
cơ chế dịch chuyển của As trong nước ngầm.
3
Tìm được các bằng chứng về sự rửa trôi của As từ trầm tích vào
nước ngầm trong tầng chứa nước Holocene và đặc biệt là sự di chuyển
của As từ tầng Holocene xuống tầng Pleistocene dưới tác động của
khai thác nước ở khu vực Nam Dư – Hoàng Mai – Hà Nội. Nghiên
cứu đã góp phần giải thích sự ô nhiễm As trong các tầng chứa nước ở
khu vực phía Nam Hà Nội.
4. Bố cục luận án
Luận án gồm có 128 trang với 25 hình vẽ và đồ thị, 9 bảng số liệu,
82 tài liệu tham khảo. Luận án được cấu tạo gồm: 5 trang mở đầu, 36
trang tổng quan tài liệu, 23 trang nội dung và phương pháp nghiên cứu,
50 trang kết quả nghiên cứu và thảo luận, 4 trang kết luận, 2 trang công
trình có liên quan đến luận án đã công bố và 8 trang tài liệu tham khảo.
NỘI DUNG LUẬN ÁN
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
Chương này tổng hợp lý thuyết về sự hình thành, phân bố của As
trong trầm tích ở đồng bằng Sông Hồng, các đồng bằng châu thổ khu
vực Đông Nam Á và phương pháp chiết phân đoạn kim loại nói chung
và As nói riêng trong trầm tích. Sau đó, luận án tổng hợp về hiện trạng ô
nhiễm và sự phân bố của As trong nước ngầm ở các tầng chứa nước
Holocene và Pleistocene ở khu vực đồng bằng Sông Hồng cũng như các
đồng bằng châu thổ khu vực Đông Nam Á và các cơ chế hiện có giải
thích cho sự phân bố, dịch chuyển của As trong các tầng chứa nước.
CHƢƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Địa điểm, đối tƣợng nghiên cứu
2.1.1. Địa điểm nghiên cứu
Hai khu vực Nam Dư – Hoàng Mai –
Hà Nội (có khai thác nước ngầm) và khu
vực Vạn Phúc (không khai thác nước) được
lựa chọn. Cả hai khu vực này đều nằm bên
bờ sông Hồng và cách nhau khoảng 10km.
Hình 2.2. Bản đồ khu vực
Nam Dư và Vạn Phúc
4
2.1.2. Đối tượng nghiên cứu
 Mẫu tối ưu phương pháp chiết phân đoạn: các mẫu trầm tích được lấy
tại khu vực nước ngầm ô nhiễm As (xã Vân Cốc, Đan Phượng, Hà Nội).
 Mẫu để nghiên cứu sự phân bố của As và Fe trong trầm tích tầng
Holocene tại khu vực Nam Dư: 10 mẫu trầm tích (0,9m đến -36,7m).
 Mẫu nghiên cứu sự hấp phụ, giải hấp phụ của As được tiến hành với
các mẫu trầm tích có độ sâu -5,6 đến -6,3m, tại khu vực Nam Dư.
 17 mẫu nước tại Nam Dư và 13 mẫu nước tại Vạn Phúc được phân
tích các chỉ tiêu: As(T), As(III) và các thành phần hóa học khác. Ở từng
khu vực đều bao gồm các mẫu: nước sông, nước Holocene và Pleistocene.
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.2.1. Phương pháp lấy mẫu trầm tích, nước ngầm
Sử dụng phương pháp piston để lấy các mẫu trầm tích nguyên dạng.
Mẫu trầm tích sau khi lấy được bảo quản trong tủ lạnh sâu -200C.
Sử dụng máy bơm để hút nước từ các giếng, mẫu nước ngầm
được dẫn qua bộ dẫn dòng chảy (flow cell) mà trên đó được lắp các
điện cực đo các thông số pH, Ec, DO. Các dụng cụ lấy mẫu được sục
khí N2 để loại bỏ sự ảnh hưởng của oxi trong không khí xâm nhập làm
biến đổi thành phần hóa học của nước ngầm. Mẫu nước được lấy vào
các lọ đựng mẫu phù hợp vào bảo quản.
2.2.2. Phương pháp chiết phân đoạn As trong trầm tích
Sử dụng các tác nhân có lực chiết tăng dần trong đó tác nhân sau
có lực chiết bao trùm tác nhân trước nhằm bóc tách các pha liên kết
của As trên 5 pha khoáng chính sau: pha hấp phụ, pha khoáng dễ hòa
tan, pha khoáng Fe hoạt động và pha khoáng sắt tinh thể và pha
khoáng sắt pyrit.
Các bước chiết được tiến hành song song, trong đó hàm lượng As
trên từng pha được tính bằng lấy kết quả của pha sau trừ đi pha trước.
Phương pháp chiết phân đoạn được tối ưu các thông số: tác nhân
chiết, thời gian chiết tối ưu và điều kiện chiết.
2.2.3. Phương pháp nghiên cứu sự hấp phụ và giải hấp phụ của As
trên trầm tích
Các thí nghiệm hấp phụ và giải hấp phụ của As trên trầm tích được
thực hiện theo các bước sau:
Bước 1(tạo mẫu trầm tích không chứa As): Rửa trầm tích để có mẫu
trầm tích sạch không chứa As.
5
Bước 2 (hấp phụ): Thêm một lượng As(III)/ As(V) chuẩn với thể tích
chính xác, lắc lộn ngược, sau một thời gian nhất định, li tâm, dùng xylanh
hút 5ml dịch trong và phân tích hàm lượng As(III), As(T).
As (hấp phụ trên trầm tích) = tổng lượng As (thêm vào) – lượng As (pha lỏng).
Tiếp tục thêm một lượng As chuẩn như trên và làm tương tự cho đến
khi kết thúc thí nghiệm hấp phụ.
Bước 3(giải hấp phụ): Kết thúc thí nghiệm hấp phụ ở bước 2, li tâm
loại bỏ dịch chiết để thu được mẫu trầm tích hấp phụ As. Thêm dung
dịch nền không chứa As vào, lắc lộn ngược trong khoảng thời gian
nhất định, li tâm, hút bỏ toàn bộ dịch chiết để phân tích hàm lượng
As. Bước này được lặp đi nhiều lần.
Các điều kiện tiến hành thí nghiệm này như: dung dịch nền, điều kiện tạo
yếm khí nghiêm ngặt, và thời gian hấp phụ đạt cân bằng được khảo sát.
2.2.4. Phương pháp phân tích thành phần hóa học của nước ngầm
và dịch chiết
Mẫu nước ngầm: Hàm lượng As (III), As tổng, Fe2+, Fe tổng, PO43-,
CH4, NH4+, DOC, NO3-, Mn2+, Na+, Ca2+, HCO3-, Cl-… trong các mẫu
được xác định bằng các phương pháp phân tích hiện đại: AAS, UV-
Vis, IC, GC.
Dịch chiết trầm tích: hàm lượng As (III), As tổng, Fe2+, Fe tổng xác
định bằng sử dụng các phương pháp: AAS, UV-Vis,
2.2.5. Phương pháp xử lí số liệu
Luận án sử dụng phần mềm PHREEQC để tính toán các kết quả về
cân bằng ion, sự hình thành các kết tủa và phần mềm AquaChem để
biểu diễn các số liệu nước ngầm dưới dạng biểu đồ như piper, stiff.
2.3. Thiết bị, dụng cụ và hóa chất
- Máy hấp thụ nguyên tử AA-6800; máy sắc ký ion HIC-20A super,
Shimadzu; máy quang phổ hấp thụ phân tử UV/Vis-3101 PC,
Shimadzu; máy sắc ký khí GC-2014, cột nhồi porapak – T, Shimadzu;
Máy quang phổ hấp thụ phân tử UV/Vis, HACH; Máy đo các chỉ tiêu
hiện trường và các điện cực đo pH, ôxi hòa tan, độ dẫn.
- Các dụng cụ chuyên biệt: glovebox (buồng kín, bên trong chứa khí
trơ, nhằm tạo điều kiện yếm khí); Bộ dẫn dòng chảy kín (Flow cell,
dùng để lấy mẫu nước ngầm); Catrige tách As(III)/As(V).
- Các dung dịch chuẩn gốc As(III) 1000 mg/L, Fe (III) 1000 mg/L;
Dung dịch chuẩn kiểm chứng đa nguyên tố dùng cho ICP ..., Merck.
- Khí metan chuẩn (metan 1% trong nitơ), MIKROLAB GAS.
- Các hóa chất sử dụng đều là hóa chất tinh khiết, Merck hoặc Fluca.
6
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Nghiên cứu tối ƣu quy trình chiết phân đoạn As trên các pha
khoáng trong trầm tích và các điều kiện nghiên cứu sự hấp phụ và
giải hấp phụ As trên trầm tích tự nhiên
3.1.1. Nghiên cứu tối ưu quy trình chiết phân đoạn As trên các pha
khoáng trong trầm tích
3.1.1.1.Nghiên cứu lựa chọn tác nhân chiết
Kết quả hình 3.1 cho thấy đường động học biểu thị hàm lượng
As(III) chiết ra khi sử dụng các tác nhân chiết khác nhau tương ứng
với bốn pha chiết đầu.
Hình 3.1. Kết quả khảo sát tác nhân chiết cho pha chiết I, II, III, IV
Đối với pha chiết I - pha As hấp phụ trên bề mặt trầm tích, hai tác
nhân NaHCO3 và NH4H2PO4 đều có năng lực chiết tối đa tương đương
nhau. Tuy nhiên, hàm lượng As chiết được theo thời gian khi sử dụng
7
NaHCO3 ổn định hơn so với NH4H2PO4. Nguyên nhân có thể là do
trong quá trình chiết NH4H2PO4 đã xảy ra tương tác với trầm tích, tạo
kết tủa làm ảnh hưởng đến lượng As chiết ra. Do năng lực chiết ổn
định, nên NaHCO3 được lựa chọn làm tác nhân chiết cho pha As ở
dạng hấp phụ.
Kết quả ở pha II - pha As phân bố trên các khoáng dễ hòa tan như
siderite (FeCO3), vivianite (Fe3(PO4)2.8H2O), calcite (CaCO3) cho thấy
hai tác nhân chiết HCOOH và HCl có năng lực chiết là tương đương
nhau. Tuy nhiên, với dịch chiết HCl 0,001M, pH tăng lên trong quá
trình chiết vì bản thân HCl vốn là một axit dễ bay hơi và không có khả
năng đệm như HCOOH. Điều này dẫn đến việc khi sử dụng HCl như
một tác nhân chiết cần phải điều chỉnh pH liên tục, do vậy thao tác thí
nghiệm trở nên phức tạp hơn. Trong khi đó, dịch chiết HCOOH 0,5M
(pH = 2), được điều chỉnh đến pH = 3 bằng dung dịch NaOH tạo ra
một hệ đệm ổn định. Vì vậy HCOOH 0,5M được lựa chọn là tác nhân
chiết cho pha II.
Axit ascobic 0,1M được lựa chọn cho pha III- As trên các pha
khoáng sắt (III) hoạt động như ferihydrite Fe(OH)3, lepidocrocite γ –
FeOOH. Đây là các khoáng ở dạng vô định hình do đó dễ dàng bị khử
về Fe(II). Theo tác giả Dieke Postma, 2010 cho thấy axit ascorbic chỉ có
thể khử được khoáng sắt (III) hoạt động mà không khử được các khoáng
sắt ở dạng tinh thể bền vững như hematite hoặc goethite. Kết quả cho
thấy hàm lượng As chiết ra với tác nhân này khá ổn định theo thời gian
do vậy tác nhân Axit ascobic 0,1M được lựa chọn cho pha chiết III.
Với pha IV – pha As phân bố trong khoáng sắt tinh thể (hematite,
goethtite), hỗn hợp NH4 – oxalate + axit ascorbic đã được nhiều tác giả
sử dụng nhằm chiết các dang As liên kết chặt với khoáng sắt(III) tinh
thể. Hiệu quả của hỗn hợp chiết này được giải thích là do sự kết hợp
giữa tính khử của axit ascorbic và khả năng tạo phức của oxalate. Do đó
hỗn hợp oxalate và axit ascorbic rất hiệu quả đối với pha khoáng sắt
(III) tinh thể. Kết quả khảo sát trong hình 3.2 cho thấy khả năng chiết
của hỗn hợp NH4 – oxalate + axit ascorbic đạt giá trị cực đại ngay trong
giờ đầu và sau đó ổn định theo thời gian. Với ưu điểm có khả năng chiết
8
hiệu quả và ổn định, hỗn hợp NH4 – oxalate + axit ascorbic được lựa
chọn là tác nhân chiết As phân bố trên các pha khoáng sắt tinh thể.
Đối với pha V – As liên kết
trên pha khoáng bền vững, tác
nhân HNO3 chiết được các kim
loại trên khoáng pyrit, sunfua,
trong khi đó nếu sử dụng kết hợp
HNO3 với chất oxi hóa như H2O2
thì chiết thêm được kim loại trên
khoáng silicat. Kết quả khảo sát
cho thấy, hàm lượng As chiết ra
không có sự khác biệt giữa hai Hình 3.2. Kết quả khảo sát tác
tác nhân HNO3 và HNO3+H2O2 nhân chiết cho pha V
(sự sai khác nhỏ hơn 10%) (hình
3.2). Điều này có nghĩa là As ở
pha khoáng bền vững trong trầm tích ở khu vực nghiên cứu chủ yếu là
trên khoáng pyrit, sunfua. Do vậy, sử dụng tác nhân chiết HNO3 hay
hỗn hợp HNO3+H2O2 đều thu được kết quả tương đương. Trong khi
đó, thao tác thí nghiệm với HNO3 đơn giản hơn so với hỗn hợp
HNO3+H2O2. Do vậy HNO3 được lựa chọn là tác nhân chiết cho pha
khoáng bền vững.
Kết quả trên hình 3.1 cho thấy hàm lượng As chiết ra đều tăng dần
theo thời gian và ổn định sau 6 giờ. Do đó, 6 giờ là thời gian chiết tối ưu
được lựa chọn cho bốn bước chiết đầu.
3.1.2. Lựa chọn điều kiện chiết
Kết quả trong bảng 3.1 cho thấy hàm lượng As chiết ra và pH ở
hai hệ : hệ hở và hệ kín. Kết quả cho thấy, hàm lượng As chiết ra ở hệ
hở trong tất cả các bước chiết đều lớn hơn so với hệ kín (sự sai khác
nhỏ hơn 15%). Nguyên nhân lý giải cho điều này là do hệ hở được giữ
pH ổn định trong suốt thời gian thí nghiệm. Trong khi đó hệ kín lại
không có sự điều chỉnh pH khiến pH tăng lên trong quá trình chiết,
kéo theo sự kết tủa của sắt hidroxit và sự hấp phụ As lên pha kết tủa.
9
Bằng chứng rõ ràng là giá trị pH đo được khi lấy mẫu ở hệ kín cao hơn
so với hệ hở (bảng 3.1).
Tuy nhiên ưu điểm của hệ chiết kín là thao tác thí nghiệm đơn
giản và cho phép tiến hành chiết nhiều mẫu trong cùng một khoảng
thời gian, không cần sục khí N2 và điều chỉnh pH trong suốt quá trình
làm thí nghiệm. Do vậy hệ kín phù hợp khi áp dụng với cỡ mẫu lớn và
được chúng tôi lựa chọn.
Bảng 3.1. Hàm lƣợng As chiết ra và giá trị pH trong hệ hở và hệ kín
3.1.3. Đánh giá độ lặp
Bảng 3.2 thể hiện độ lặp của từng tác nhân chiết khi chúng tôi khi
tiến hành lặp thí nghiệm ba lần.
Bảng 3.2. Kết quả đánh giá độ lặp của 5 tác nhân chiết
Kết quả cho thấy ở tất cả các bước chiết, độ lệch chuẩn tương đối
đều nhỏ hơn 10%. Điều này chứng tỏ quy trình chiết có tính ổn định
tốt và có thể ứng dụng vào chiết mẫu trầm tích.
10
Như vậy, lựa chọn được 5 tác nhân chiết: NaHCO3; HCOOH; Axit
ascorbic; hỗn hợp NH4 – oxalate + axit ascorbic; HNO3 tương ứng với 5
pha phân bố của As: pha hấp phụ trên bề mặt trầm tích; pha khoáng dễ
hòa tan; pha khoáng sắt (III) hoạt động; pha khoáng sắt tinh thể; pha
khoáng sắt pyrit. Với 4 bước chiết đầu, thời gian chiết tối ưu là 6 giờ và
thực hiện với hệ kín. Quy trình này có độ lặp tốt với độ lệch chuẩn tương
đối nhỏ hơn 10% (hình 3.4 và hình 3.5).
Hình 3.4. Quy trình chiết áp dụng cho pha chiết I, II, III, IV
Hình 3.5. Quy trình chiết cho pha chiết V
11
3.1.2. Kết quả khảo sát điều kiện thực hiện thí nghiệm hấp phụ và
giải hấp phụ của As trong điều kiện yếm khí
Luận án đã tiến hành khảo sát các yếu tố để tiến hành thí nghiệm hấp
phụ và giải hấp phụ As như: điều kiện yếm khí nghiêm ngặt, dung dịch
nền và thời gian hấp phụ đạt cân bằng. Và sau đây các kết quả thu được.
3.1.2.1.Khảo sát điều kiện yếm khí trong glove box
Để tạo ra điều kiện yếm
khí, toàn bộ thí nghiệm được
thực hiện trong glove box.
Điều kiện hiếm khí trong
glove box được tạo ra bởi hai
hệ: Hệ 1: N2: H2 =97:3, xúc
tác Pd; Hệ 2: N2: H2 =97:3,
xúc tác Pd, Fe(II). Kết quả
trong hình 3.6 cho thấy, sự
hấp phụ của As(III) trong hệ 1
cao hơn so với hệ 2, đồng
thời quá trình giải hấp phụ Hình 3.6. Sự hấp phụ, giải hấp
phụ của As(III) ở hai hệ tạo
của As(III) ở hệ 1 là kém
thuận nghịch so với hệ 2. yếm khí
Điều này chứng tỏ, điều kiện yếm khí tạo ra ở hệ 1 chưa nghiêm
ngặt, vẫn còn tồn tại một lượng nhỏ oxi, dẫn đến sự hấp phụ của
As(III) trong hệ 1 cao hơn so với ở hệ 2 và sự giải hấp phụ của As(III)
ở hệ 1 là kém thuận nghịch hơn so với hệ 2 như chúng ta quan sát
được. Do vậy luận án lựa chọn hệ 2 để điều kiện tạo yếm khí trong
glove box.
3.1.2.2. Khảo sát dung dịch nền
Hình 3.7 thể hiện kết quả sự hấp phụ của As(III) và As(V) trong
nền NaHCO310mM, pH 7 và nền PIPES 10mM, pH 7. Kết quả cho
thấy sự hấp phụ và giải hấp phụ của As(III) cũng như As(V) trong hai
nền không có sự khác biệt. Điều này cho thấy với dung dịch nền
NaHCO3 10mM không hình thành kết tủa FeCO3. Do vậy luận án sử
dụng dung dịch nền NaHCO3 cho các thí nghiệm về sau.
12
Hình 3.7. So sánh sự hấp phụ và giải hấp phụ của As(III) và As(V)
trong hai dung dịch nền NaHCO 3 10mM và PIPES 10mM
3.1.2.3. Khảo sát thời gian hấp phụ cân bằng
Kết quả bảng 3.3 cho thấy thời gian đạt As cân bằng trên pha rắn
và pha lỏng phụ thuộc vào nồng độ của As: khi nồng độ As càng cao
thì thời gian để đạt cân bằng cần dài hơn. Như vậy để đảm bảo đủ thời
gian để cân bằng As trên pha rắn và pha lỏng đạt được chúng tôi lựa
chọn thời gian là 3 ngày.
Bảng 3.3. Khảo sát thời gian đạt cân bằng
Qua các kết quả khảo sát trình bày ở trên, tác giả đã lựa chọn các
điều kiện tiến hành nghiên cứu hấp phụ và giải hấp phụ của As trên
trầm tích như sau: thí nghiệm được thực hiện trong điều kiện yếm khí
nghiêm ngặt: toàn bộ thí nghiệm thực hiện trong glove box, sử dụng
hỗn hợp khí N2: H2 =97:3 (%) qua xúc tác Pd và dung dịch dung dịch
13
đệm Fe(II) để loại bỏ hoàn toàn oxi trong glove box. Sử dụng dung
dịch nền là NaHCO3 10mM với thời gian lấy mẫu 3 ngày.
3.2. Nghiên cứu sự dịch chuyển As trong các tầng chứa nƣớc
Holocene và Pleistocene
3.2.1.Sự phân bố của As trên các pha khoáng
trong trầm tích tầng Holocene ở khu vực Nam Dư
3.2.1.1. Màu sắc của trầm tích ở khu vực Nam Dư
Màu sắc của 10 mẫu trầm tích theo độ sâu ở khu
vực Nam Dư biến đổi khá đa dạng cho thấy điều kiện
oxi hóa khử ở khu vực này cũng biến đổi đa dạng
theo độ sâu (hình 3.8). Ở độ sâu từ -11m đến -
25,5m, toàn bộ trầm tích có màu xám đen. Trong
khi đó, ở độ sâu từ -27,7 đến -29,3m, trầm tích có
màu vàng và xuống sâu hơn trầm tích lại có màu xám
đen. Điều này cho thấy các trầm tích ở khu vực
nghiên cứu đều là trầm tích khử (thể hiện rõ ở độ sâu
từ -11m đến -25,5m với màu xám đen). Bên cạnh đó,
xuất hiện lớp trầm tích ở độ sâu từ -27,7 đến -29,3m
là trầm tích có tính oxi hóa hơn.
Như vậy, hầu hết các mẫu trầm tích ở khu vực
nghiên cứu đều là trầm tích khử. Điều này thể hiện
rõ nhất ở độ sâu từ -11đến -25,5m. Kết quả này phù
hợp với các kết quả được tìm thấy ở khu vực đồng
bằng Sông Hồng, đồng bằng sông Mekong và ở Hình 3.8. Màu
Băng la đét. sắc của trầm
3.2.1.2. Sự phân bố As, Fe tổng trong trầm tích tích ở Nam Dư
Kết quả trong bảng 3.4 cho thấy hàm lượng As tổng trong trầm
tích ở khu vực Nam Dư nằm trong khoảng 1-5mg/kg tương ứng với
12-64nmol/g và hàm lượng Fe tổng 3-21 g/kg tương ứng với 57-
365µmol/g. Kết quả này là tương tự với các nghiên cứu khác được
thực hiện ở khu vực Đồng bằng Sông Hồng và các đồng bằng châu thổ
khu vực Đông Nam Á.
14
Bảng 3.4. Hàm lƣợng As (T) và Fe (T) trên các pha phân bố trong trầm tích
Đơn vị: As: nmol/g trầm tích khô; Fe: µmol/g trầm tích khô.
(*): Độ sâu so với mực nước biển; “nd“: Không phát hiện được.
3.2.1.3. As phân bố trên các pha khoáng trong trầm tích
Trong trầm tích tại khu vực Nam Dư – Hoàng Mai –Hà Nội,
phát hiện As phân bố trên bốn pha khoáng sau: pha hấp phụ (5%);
pha khoáng dễ hòa tan (10%); pha sắt tinh thể (35%) và pha sắt pyrit
(50%); Sự phân bố của Fe trên các pha này là: pha khoáng dễ hòa tan
(20%); pha sắt tinh thể (25%) và pha sắt pyrit (55%) (hình 3.11). Từ
các kết quả này có thể thấy As được phân bố chủ yếu trên hai pha:
pha khoáng sắt tinh thể và pha khoáng pyrit. Tuy nhiên, các khoáng
sắt pyrit rất bền vững trong điều kiện của nước ngầm, trong khi đó
khoáng sắt tinh thể dễ bị khử hơn khi gặp điều kiện phù hợp. Do đó,
pha khoáng sắt tinh thể chứa As là nguồn chủ yếu giải phóng As từ
trầm tích vào nước ngầm. Bên cạnh đó, hàm lượng As và Fe trên pha
15
khoáng sắt tinh thể biến đổi khá đa dạng theo độ sâu: có giá trị cực đại
ở độ sâu 0,9m (ứng với trầm tích nông, bề mặt) và -29,3m và cực tiểu
từ -15 đến -27,7m.
Hình 3.11. Sự phân bố của As và Fe theo độ sâu và hàm lượng phần
trăm trên các pha khoáng trong trầm tích
3.2.2. Định lượng sự hấp phụ và giải hấp phụ của As(III), As(V)
trên trầm tích
3.2.2.1. Sự hấp phụ và giải hấp phụ As(III), As(V)
16
Hình 3.15 là đường hấp
phụ và giải hấp phụ đẳng nhiệt
của As(III), As(V) trên trầm
tích tự nhiên ở khu vực Nam
Dư. Quá trình hấp phụ và giải
hấp phụ As(III) diễn ra thuận
nghịch. Hầu như toàn bộ
As(III) hấp phụ trên trầm tích
đều bị giải hấp phụ. Điều này
cho thấy As(III) rất linh động
khi phân bố trên pha rắn (trầm
tích) và pha lỏng (nước Hình 3.15. Sự hấp phụ , giải hấp
ngầm).Trong nước ngầm, hơn phụ của As(III) và As(V)
90% As trong nước tồn tại ở
dạng As(III). Điều này chứng tỏ các quá trình hấp phụ và giải hấp phụ
As(III) ở khu vực nghiên cứu có vai trò quan trọng, kiểm soát hàm
lượng As(III) trong nước ngầm.
Khác với As(III), quá trình giải hấp phụ và hấp phụ của As(V)
trên trầm tích kém thuận nghịch hơn. Điều này cho thấy ái lực của
trầm tích với As(V) là rất lớn. Kết quả này giải thích thực tế trong
nước ngầm, As(V) chỉ chiếm một lượng rất nhỏ. So sánh quá trình hấp
phụ của As(III) và As(V) cho thấy với cùng khoảng nồng độ As hòa tan
từ 0 đến 9µmol/L, nhưng hàm lượng As(V) hấp phụ trên trầm tích gấp
6-7 lần so với As(III) (hình 3.15). Điều này cho thấy As(V) hấp phụ
mạnh hơn so với As(III). Điều này chứng tỏ As(III) linh động hơn so
với As(V), đồng thời As(V) được trầm tích giữ chặt so với As(III).
3.2.2.2. So sánh các kết quả về hấp phụ của As(III) và As(V) trong
nghiên cứu này với các nghiên cứu trước đây
Các kết quả về về sự hấp phụ và giải hấp phụ ở Băng la đét và Việt
Nam cho thấy sự hấp phụ As(III) là khá giống nhau mặc dù khác biệt về
loại trầm tích, tuổi cũng như các các nước khác nhau, trong khi đó, sự hấp
phụ của As(V) trên trầm tích cho thấy biến đổi trong khoảng khá rộng
(hình 3.16). Lý giải cho điều sự hấp phụ As(III) không phụ thuộc vào
17
các điều kiện oxi hóa khử của trầm tích là do As(III) hấp phụ chủ yếu
lên các khoáng không bị thay đổi dưới các điều kiện oxi hóa khử khác
nhau như khoáng mica hoặc sét. Trong khi đó, sự hấp phụ của As(V) lại
chủ yếu lên các khoáng oxit sắt.
Hình 3.16. So sánh sự hấp phụ của As(III) và As(V) trên trầm tích
Holocene và Pleistocene ở Băng la đét và Việt Nam.
Như vậy, quá trình hấp phụ và giải hấp phụ As(III) trên trầm
tích tại khu vực Nam Dư là quá trình thuận nghịch, trong khi đó sự
hấp phụ và giải hấp phụ của As(V) diễn ra không thuận nghịch.
Dung lượng hấp phụ As(V) cao hơn so với As(III) 6-7 lần. Điều này
chứng tỏ As(III) linh động hơn so với As(V); As(V) có ái lực cao
đối với trầm tích.
3.3.3. Minh họa con đường rửa trôi As từ trầm tích vào nước ngầm
trong tầng Holocene
3.3.3.1. Sự phân bố của As và các thành phần hóa học trong nước ngầm
ở tầng Holocene
Sự phân bố của As(T) và As(III) trong nước ngầm trong tầng chứa
nước trẻ Holocene ở khu vực Nam Dư- Hoàng Mai- Hà Nội (hình 3.18)
cho thấy phần lớn As trong nước tồn tại ở dạng As(III) chiếm hơn 95%.
Sự phân bố As biến đổi khá đa dạng theo độ sâu. Đạt giá trị cực đại là
1,6 µmol/L tại độ sâu -26m, gấp 12 lần so với tiêu chuẩn về nước uống
của tổ chức Y tế Thế giới là 0,13 µmol/L hay 10µg/L. Đồng thời, sự
phân bố của các thành phần hóa học cho thấy môi trường nước ngầm
tầng Holocene có tính khử mạnh mẽ với nồng độ thấp các dạng oxi hóa
18
O2, NO3- và nồng độ cao của các dạng khử Fe2+, NH4+. Hàm lượng của
As và các chất khử: Fe2+, NH4+, CH4, PO43- tỉ lệ thuận với nhau, đều
đạt cực đại ở độ sâu -26m.
Hình 3.18. Sự phân bố của các thành phần có tính oxi hóa khử trong
nước ngầm tầng Holocene
3.3.3.2. Con đường rửa trôi As từ trầm tích vào nước ngầm trong tầng
Holocene tại khu vực Nam Dư – Hoàng Mai –Hà Nội.
Mối tương quan nghịch giữa hàm lượng As trên pha khoáng sắt
tinh thể và nồng độ As trong nước ngầm theo độ sâu (hình 3.20). Điều
này chứng tỏ pha khoáng sắt tinh thể là nguồn giải phóng As vào nước
ngầm ở tầng chứa nước này.
Thêm vào đó, trong nước ngầm quan sát thấy mối tương quan thuận
giữa nồng độ As(III) với các thành phần có tính khử: Fe2+, NH4+, CH4,
PO43- (hệ số tương quan lần lượt là: 0,7; 0,6; 0,75 và 0,8) (hình 3.21).
Điều này chứng tỏ rằng trong tầng Holocene, As giải phóng từ trầm
tích vào nước ngầm theo cơ chế khử hòa tan khoáng sắt tinh thể với sự
có mặt của chất hữu cơ được mô phỏng bởi phương trình sau:
4FeOOH (As(V)/As(III)) + CH2O + 7H2CO3 → 4Fe2+ + 8HCO3- + 6H2O + As(III)
19