ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC Tự NHIÊN
sử DỤNG PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ LỎNG CAO ÁP
ĐỂ XÁC ĐỊNH MỘT s ố KIM LOẠI NẶNG
• • • •
TRONG CÁC ĐỐI TƯỢNG MÔI TRƯỜNG
MÃ số: QT-02-16
CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI: TS Lê Như Thanh
ĐAI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN
SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ LỎNG CAO ÁP
ĐỂ XÁC ĐỊNH MỘT s ố KIM LOẠI NẶNG
TRONG CÁC ĐỐI TƯỢNG MÔI TRƯỜNG
MÃ số: QT-02-16
CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI: TS Lẻ Như Thanh
CÁC CÁN BỘ THAM GIA: CN Vũ Quang Lợi
HÀ NỘI - 2004
BÁO CÁO T Ó M TẮ T
a. Tén đề tài: Sứ dụng phương pháp sắc ký lỏng cao áp đê xác định một sô kim
loại nặng trong các đối tượn2 môi trường
M ã số: QT-02-16
b. Chủ trì đề tài: TS Lẽ Như Thanh
c. Các cán bộ tham gia: CN. Vũ Quang Lợi-Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
d. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
+ Xây dựng phương pháp xác định vùng asen vô cơ và asen hữu cơ
+ Sử dụng các kết quả nghiên cứu được để tách và xác định các dạng
As(III), As(V) và một sô dạng asen hữu cơ khác trong nước ngầm ở một số khu
vực ở Hà Nội
e. Các kết quả đã đạt được
Đã khảo sát và lựa chọn các điểu kiện trong kỹ thuật tách và xác định
bằng phương pháp sắc ký lỏng cao áp - trao đối anion để tách và xác định
BẢO CÁO T Ó M TẮT
a. Tén đề tài: Sử dụn2 phươns pháp sắc ký lỏng cao áp để xác định một số kim
loại nặng trong các đối tượng môi trường
Mã số: QT-02-16
b. Chủ trì đế tài: TS Lê Như Thanh
c. Các cán bộ tham gia: CN. Vũ Quane Lợi-Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
d. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
+ Xây dựng phương pháp xác định vùng asen vô cơ và asen hữu cơ
+ Sử dụng các kết quả nghiên cứu được đê tách và xác định các dạng
As(III), As(V) và một sô dạng asen hữu cơ khác trong nước ngầm ở một số khu
vực ở Hà Nội
e. Các kết quả đã đạt được
Đã khảo sát và lựa chọn các điều kiện trong kỹ thuật tách và xác định
bằng phương pháp sắc ký lỏng cao áp - trao đổi anion để tách và xác định
As(III), As(V) và một số dạng Asen hữu cơ khác.
Đã kết hợp hai phương pháp sắc ký lỏng cao áp và quang phổ hấp thụ
nguyên tử - hydrua hóa để xác định tổng lượne asen và các dạnơ asen vô cơ và
asen hữu cơ.
Đã sử dụng kết quả thu được để nghiên cứu nước ngầm ở 3 vùng của Hà
Nội: xã Đại Kim (Thanh Trì), xã Ngọc Thụy (Gia Lâm) và xã Vạn Phúc (Thanh
Trì). Các kết quả nghiên cứu đã chi ra rằng nước ngầm ở Hà Nội bị nhiễm asen
1
với hàm lượng khá cao, nhất là khu vực phía nam. Thành phần của asen bao gồm
cả asen vô cơ As(III), As(V) và một số dạng asen hữu cơ khác. Do đó. đế có thể
dùng được cho mục đích sinh hoạt, nước ngầm ở các vùng này cần phải qua xử
lý bỏ asen.
f. Tình hình kinh phí của đề tài
Tống kinh phí được cấp: 10.000.000đ
Đã chi: 10.000.000d
XÁC NHẬN CỦA BAN CHỦ NHIỆM KHOA
đổng quốc tế quan tâm đặc biệt. Ô nhiễm asen (As) tronơ nước ngầm đã được
phát hiện tại nhiều nơi trên thế giới như ở Mỹ. Chi-lê. Ba Lan, Hungary, An Độ,
Đài Loan và đặc biệt là những biểu hiện nhiễm độc trầm trọng tại các vùng
châu thổ sông Ganges (Bănglađét), sông Bengan (Ấn Độ) được các nhà khoa học
khắng định là do sử dung nguồn nước ngầm bị nhiễm asen ớ nồng độ cao.
o .00 o o
ỏ nước ta, trong những năm gần đây, một số côns trình nghiên cứu của
ngành địa chất đã phát hiện những khoáng vật giàu asen ở một số vùng miền Bắc
Việt Nam. Đây là nguy cơ tiềm tàng ảnh hưởng xấu đến môi trường, con người
và vật nuôi trong khu vực bị ỏ nhiễm.
Ngày nay các hợp chất của asen hữu cơ (cơ asen) được sử dụng chủ yếu
trong sản xuất thuốc trừ sâu và bảo vê sổ. Viêc sử dung As kim loai ngày càng
tăng trong lĩnh vực sản xuất chất bán dẫn GaAs, (loại vật liệu thay thế Silicon
trong các thiết bị điện tử) sẽ dẫn đến sự ố nhiễm khí AsH, rất đôc. Người ta cho
/ . - 1 . 0
rằng tốc độ ô nhiễm As trong môi trường gây lên bởi các hoạt độns của con
người lớn gấp 3 lần tốc độ ô nhiễm gây ra bởi các hiện tượng thiên nhiên (núi
lửa, động đất, ). Nguồn ô nhiễm As do con nsười sây nên chủ yếu từ việc sử
dụng phân bón trong nông nghiệp, ví dụ như phôtphát.
Tất cả các lý do nêu trên đều là nguồn làm cho nước ngầm bị nhiễm asen.
Nước ngầm là nguồn chính cung cấp nước cho các hoạt động sản xuất, sinh hoạt
của con người. Việc cung cấp nước bị ô nhiễm (tron2 đó có ô nhiễm asen) là
nguyên nhân sây ảnh hưởng trực tiếp tới sức khoẻ và năng xuất lao động ở các
nước đang phát triển, trong đó có Việt Nam. Vì vây. đây là môt đối tương rất
quan trọng đê nghiên cứu trên quan điểm bảo vệ môi trường.
4
Cho đến nay, việc xác định asen trong nước ngầm ớ nước ta mới chỉ được
tiến hành ở mức nồng độ tổng số asen. Các thôns tin này rất quan trọng, nhưng
chưa đủ vì độ độc hại của các nguyên tố nói chunẹ và asen nói riêng phụ thuộc
vào dạng tồn tại hóa học của nó. Trong nước ngầm, asen tồn tại cả ở dạng vô cơ
Nồng độ nguyên tô' As trong các tầng trầm tích thường thấp. Hàm lượng
As trong tướng đá khoảng 1.7.10 "4%, trong đất khoảng 5.10 "4%. Nồng độ As
khá cao ở trong quặna sulfua đa kim, trong các mỏ antimon. thủy ngân, coban.
molypđen, đồng, chì và kẽm. Ngoài ra, As còn có hàm lượng tương đối cao trong
đất và nước ở các mỏ than, than bùn, trong sét giàu chất hữu cơ, các tích tu
nguồn gốc đầm, hồ và cả trong nước thái, chất thải của một số nhà máy xí
nghiệp và lượng vết trong nước biến. Hàm lượng của As trong nước ớ một số
vùng mỏ phụ thuộc nhiều vào loại quặng, độ oxy hóa, pH. nồng độ tổnsỉ
6
khoáng hóa cúa nước.
Asen trong nước tự nhiên chủ yếu ở dạns As(III) (như As(OH)3), As(V)
(như H2A s04') và một phần nhỏ asen ở dạns họp chất hữu cơ (như monometyl
asonic axit - MMA, dimetylasinic axít - DMA ). Thông thường, hàm lượng
asen trong nước tự nhiên rất thấp (Bảng 1).
As cũng như một số kim loại độc khác xuất hiện là do từ nơuồn quặng
không sạch. Các hợp chất As20 3 và suníua của As là hợp chất dễ bay hơi và nó
được thải vào khí quyển do việc đốt nhiên liệu (đặc biệt là than đá) và việc tinh
luyện các quặng suníua. Hầu hết As được sử dụng trong côns nghiệp là các sản
phẩm phụ của quá trình khai thác tinh luyện chì và đồns. Sự ố nhiễm As trong
bụi khôns khí ở các vùng công nghiệp có chứa lượng As cao hơn 1000 lần so với
giá trị trung bình của As trong vỏ trái đất.
Báng 1. Nồnơ độ của As trong môi trường tự nhiên [6 ]
Vị trí
Nồng độ
Vỏ trái đất
l,5ppb
Nước biển
1,5 ppb
Nước tự nhiên:
- Bình thườn2
một số vi sinh vật (Hình 1). Các dạng metyl asenic dễ bay hơi, đặc biệt là
trimetyl asenic tồn tại trong khí quyển ở lượng vết. Công thức cấu tạo và tên gọi
của một số hợp chất asen chủ yếu trong tự nhiên được trình bày ở bảng 2.
(C H 3)3A s : trim e tyl asin
(C H 3)2A s H: d im etyl asin
[A s 0 2(0 H ) 2) r
A s (O H )3)
C H 3A s O (O H )2
(C H 3)2A s O (OH )
asena t
—►
ase nit
—►
A xit m ono m e ty la se nic
—►
A xit d im e tyla se nic
Hình Ị . Quá trình chuyển hóa của các hợp chất asen trong tự nhiên
Các nghiên cứu cho thấy, ở Việt Nam. asen tồn tại với nồng độ cao chu
yếu ở hai nguồn:
- Các đá biến đổi nhiệt dịch, các thân quặng sunfua, vàng, đa kim và các
sản phẩm phong hóa cũng như đất phát triển trên các đá đó giàu As (khoánơ 262
ppm) hơn hẳn các họp phần khác (đá trầm tích: As < 1,33 ppm. đá magma không
8
bị biến đổi nhiệt dịch: As < 13,1 ppm).
- Nước suối ở vùng mỏ nhiệt dịch và nước ngầm ở một vài nơi thuộc Hà
Nội, Việt Trì.
Các số liệu về hàm lượng asenopyrit và asen trong một số thành tạo
magma, các hệ đới thạch anh sunfua ở Việt Nam được các tác giả [4] đưa ra có
nơi lên tới 19 g/tấn. Dạng tồn tại của As trong eluvi - deluvi, đất và bùn thường
là scorodit (Fe3+[As04].2H20) được tìm thấy ở các điểm quặng sunfua ở Việt
HO
As_*
Trimetylasin
Oxit
c h 3
c h 3— As — c h 3
c h 3
CH
//
o
CH3
As — CH2C
I I
o
CH
Tetrametyl asoni lodua
Caboxymetyl (trimetyl) asoni
Zwitterrion (arsenobetaine)
CH3
c h 3-
— As —
-ch2c h 2o h
c h 3
Br
(CH3)nAsH3.n
n = 1, 2, 3
2-Hidroxietyl (trimetyl) asonibromua
Metylasin
ĩ .
nước ăn uống sinh hoạt và các trầm tích thấm nước yếu xen kẽ giữa chúng. Môt
J o o .
điểm đáng lưu ý là các trầm tích của hệ tầng Hải Hưng chứa nhiều tàn tích thực
vật xen các lớp bùn và than bùn. Dải phía Tây và khu vực phía Nam thành phố
Hà Nội lớp bùn và than bùn phân bố liên tục.
Ngày nay, quá trình đô thị hoá phát triển mạnh mẽ nên nhu cầu sử dụng
nước ngày một tăng. Nước ngầm đang được khai thác rất mãnh liệt để cung cấp
cho nhu cầu ăn uống, sinh hoạt, xây dựng và công nghiệp.
Qua kết quả nghiên cứu nhiều năm trên cơ sở các nhân tố cơ bản hình
thành động thái có thể chia 3 vùng tương ứng với các kiểu động thái như sau:
- Phía nam sông Hồng, nơi có sự khai thác mạnh mẽ nước ngầm được xếp
vào vùng động thái phá hủy mạnh.
- Vùng giữa sông Đuống và sòng Hồng gọi là vùng Gia Lâm, là vùng động
thái bị phá hủy yếu.
- Vùng phía bắc sông Hổng và sông Đuốna là vùng động thái tự nhiên.
Nghiên đặc điểm động thái và diễn biến mực nước ở các tầng qìỉ và qp cho
thấy sự ảnh hướns mạnh mẽ cúa các yếu tố địa chất, thủy văn. mực nước của các
sông Hồng, sôns Đuốna, sông Cà Lồ tới mực nước ngầm các vùng thuộc khu
vực Hà Nội theo mùa khô và mùa mưa. Mực nước ngầm vùng phía Băc Hà Nội
chịu ảnh hưởng chú yếu của các yếu tố thuỷ vãn tự nhiên của sông Hổns. sông
Cà Lồ, sông Đuốns và chưa bị ảnh hưởng bởi sự khai thác nước ngầm. Vùns
trung tâm và phía Nam thành phố, nước ngầm tầng qh đang bị phá huỷ do khai
thác nước từ các bãi giếng tập trung với lượng khai thác rất lớn. Vì vậy, đã gây
nên hiện tượng mực nước tầng trên cũng hạ thấp do thấm xuyên xuống tầng dưới
(qp) qua các cửa sổ địa chất thuỷ văn hay qua lớp ngăn cách thấm nước yêu.
Ngoài ra, còn bị phá huỷ do các lỗ khoan khai thác đường kính nhỏ do các hộ
dân tự khoan khai thác trực tiếp trons tầng này. Do vậy, đã hình thành phễu hạ
thấp mực nước rộng lớn bao trùm hầu như toàn bộ phía Nam thành phố, trong đó
phát triển nhiều tâm phễu nhỏ mực nước sâu tại vị trí khai thác thuộc các bãi
giếng lớn. Các dao độns mực nước biến đổi nghiêm trọng không còn dáng dấp tự
- Dung dịch monometylasonic axid (MMA) lOOOppm: Hoà tan ampun
0,lg CH3AsO(OH)2 (Merck) trong 100 ml HC1 0,1M và được bảo quản ở nhiệt
độ 4°c trong chai nhựa sẫm màu.
Dung dich As nghiên cứu
Pha các dung dịch As(V), As(III) và MMA 50 ppm từ các dung dịch gốc
trên và giữ nồng độ HC1 ở 0.1 M và bảo quản trong chai nhựa ở nhiệt độ 4 °c.
Các dung dịch nồng độ từ 5 ppm đến 100 ppb được pha trước khi tiến hành thí
nghiệm và chỉ sử dụng trong ngày. Phần còn lại không sử dụng hết được chứa
vào bình nước thải riêng.
Hóa chát dùng trong HPLC
- Pha động là dung dịch Na:H P04 0.2M. 0.3M. 0.6M được pha từ chất
13
chuẩn Na-,HP04.2H20 (M= 177,99), được điều chỉnh pH bằng H,P04 đặc, NaOH
đặc và định mức bằns nước deion. Pha động chỉ dùng trong vòng 3 ngày, được
bảo quản ở 4 °c.
- Dung dịch hỗn hợp các anion c r (4ppm), N 0 2' (2ppm), N 0 3' (4ppm),
S042' (40ppm) được pha từ chất chuẩn tương ứng của hãng Merck (Đức), định
mức bằng nước cất.
- NaOH, duns dịch H3PO4 đặc (Merck).
Hóa chất dùng trong HVG-AAS
- Duns dịch NaBH4: Các dung dịch NaBH4 1% và 1,5% được pha mới
hàng tuần bằng cách cân 4 g NaBH4 và 52 NaOH hòa tan bằng nước cất đến 1000
ml và chỉ sử dụng trong tuần, bảo quản ở 4 °c.
- Nai và dung dịch axit ascorbic: Hòa tan 5g Nai và ls axit ascorbic trong
lOml nước cất. Dung dịch này phải được chuẩn bị hàng ngày.
- Axit nitric đặc 67% Nr. 1.00455.1000 (Merck).
- Axit hydrochloric 20% Nr. 851 (Merck).
- HC1 8 M. HC1 6 M. HC1 2% (0,55 M). HC1 4% (1,65 M)
- Khí Ar 99,999%.
- NaOH tinh khiết, p.a (Merck).
s
0 .25 0 Ĩ
"■
(AUFS)
0.200-:
0.150-:
■
0.100-E
rr"
0.0 50“
■ M
Ũ.ŨŨ0:
- ! - f -
O.ŨŨO 1.000 2.ŨŨŨ 3.00Ũ
Coric (ppb)
4.ŨŨŨ
i.000
Hình 2. Đường chuẩn định lượng tổne số As trong nước bủn <2 phương pháp
HVG-AAS
15
3. Phương pháp sác ký lỏng cao áp
3.1. Khảo sát bước sóng hấp thụ cực đại của As
Với mục đích sử đụn2 detector uv để xác định As, chúng tôi đã tiến hành
khảo sát khả năng hấp thụ cực đại của một số dạns As.
Tiến hành quét phổ của hỗn hợp chất chuẩn gồm: 0,1 ppm As(III), 0,1 ppm
As(V), 0,1 ppm MMA trên máy quét phổ (quét bước sóng từ 190 nm đến 800
nm).
Kết quả, ta thấy xuất hiện 2 pic cực đại: tại bước sóng Ằị = 192 nm và À o =
301 nm (Hình 3). Khi tăng gấp đối nồng độ của các chất chuẩn, thì chỉ có pic
cực đại xuất hiện ở Ằ-! = 192 nm là tăng theo, tuyến tính với nồng độ As. Như
mặt. Cột Shim-pack IC-A3 có đặc tính trao đổi và hấp thụ các anion. Trong quá
trình sắc ký chúng tôi khảo sát, các anion asen ở dạng vô cơ (As02\ H2As04, )
và hữu cơ (CH3AsH 02\ (CH3)?AsCV, ) dễ dàng bị hấp thụ lên bề mặt của nhựa.
Đế rửa giải các anion, chúng tôi chọn pha động là dung dịch đệm photphat
(NaH2P 04 + H3P04). Trong mỏi trường
axít, quá trình giải hấp diễn ra khi pha
động được bơm vào cột sắc ký, sự trao ~ C H 2^— CH
đổi các anion giữa pha động và pha tĩnh
làm cho các anion asen được giải phóng.
Các yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng
đến hệ số dung lượng (k’ị) của các anion
asen trên cột sắc ký là:
- pH pha động.
(Nhưa polyacrylat được gắn nhóm amin bâc 4)
17
- Nồng độ NaH2P 04 trone pha động.
- Tốc độ bơm pha động.
Ngoài ra, sự ảnh hưởne cứa các anion vô cơ khác trong nước cũng đã được
khảo sát.
3.3. Khảo sát ảnh hưởng của pH pha động
Pha các dung dịch NaH2P04 có nồng độ 0,02 M, điều chinh pH tới ba mức
pH 4,5, pH 5,75, pH 6,5 và pH 7,0.
Bơm các pha độns (nồng độ 0,02 M) có pH khác nhau qua cột sắc ký với
điều kiện thí nghiệm sau:
- Tốc độ bơm pha động: 0,5 ml/phút.
- Mẫu chuẩn: As(III) 0.1 ppm, As(V) 0.1 ppm, MMA 0.1 ppm. Vòng bơm
mẫu cỡ 100 ỊliI.
- Detector uv bước sóng X = 192 nm.
Kết quả kháo sát được thể hiện ở bảng 3.2 và hình 5.
Báng 3. Khảo sát ảnh hưởng của pH pha độns đến hệ số dung lượng k’i
13,74
7
3.5
1,3
4,24
2.04
15,23
13,03
18
k
25
20
15
• As(V)
• MMA
A As(lll)
10
As(V)
- M M A
As(lll)
5
0
pH
0 2 4
6 8
Hình 5. Đồ thị biếu diễn ảnh hưởng của pH pha động đến k’ của các dạns asen
Kết quả cho thấy, với pH nhỏ thì hệ số k ’i của các anion asen lớn, khi
tăng pH thì k’i giảm rất nhanh làm cho thời gian lưu của các dạng anion asen
(tRl)khá gần nhau, nhất là với As(III) và MMA. Điều này khồnơ có lợi cho quá
Írì
(phút)
k’i
Írì
(phút)
k’i
0,02
5,31
0,97 7.15 1,65 17,61
5,52
0,03
4,74
0,76
6,41
1,37
15,27
4,66
0,06
3,87 0,43 4,27
0,58
10,34
2,83
20
Khi tăng nồng độ NaH2P 0 4, hệ số k’ giảm dẫn đến thời gian lưu của các
ion asen giảm theo. Tuy nhiên, thời gian lưu của As(V) (là chất được rửa giải ra
chậm nhất) cũng chỉ giảm được khoảns 7 phút. Trong khi đó, thời gian lưu của
As(III) và MMA là khá gần nhau, dẫn đến sự tách các pic của chúng không rõ
ràng. Với mục đích cần tách rõ các dạng asen ra khỏi nhau, chúng tôi đã lựa
chọn nồng độ NaH,P04 là 0,002 M, vì tổng thời gian khảo sát ở điều kiện này
cũng chỉ mất khổns quá 25 phút.
7,15
1,65
17,61
5,52
0.7
3.81 0.41
5,20
0,93
12.42
3,60
0,8
3.05
0,13
4,29
0.59
9,81
2,63
21
Copyright: Tài liệu đại học ©