ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
--------------------------

ĐỖ THỊ KIM THOA

SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐIỆN DI MAO QUẢN XÁCH TAY
XÁC ĐỊNH ĐỒNG THỜI THÀNH PHẦN
CÁC CATION VÀ ANION TRONG NƯỚC MƯA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - Năm 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
--------------------------

Đỗ Thị Kim Thoa

SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐIỆN DI MAO QUẢN XÁCH TAY
XÁC ĐỊNH ĐỒNG THỜI THÀNH PHẦN
CÁC CATION VÀ ANION TRONG NƯỚC MƯA

Chuyên ngành: Hóa Môi trường
Mã số: 60440120

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU

1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

3

1.1.

Lắng đọng khí quyển và pH của nước mưa

3

1.1.1.

Lắng đọng khí quyển

3

1.1.2.

Hiện tượng lắng đọng axit

4

1.2.

Các nguồn gốc gây mưa axit


1.4.

10

Tác động của mưa axit lên hệ sinh thái

10

1.4.1.

Tác động đến hệ sinh thái đất

10

1.4.2.

Tác động đến hệ sinh thái nước

11

1.4.3.

Những tác động khác

12

1.5.

Ô nhiễm môi trường không khí và lắng đọng axit ở Việt Nam


2.2.2.

Thiết bị

18

2.3.

Phương pháp nghiên cứu

18


2.3.1.

Lấy mẫu

2.3.2.

Phương pháp phân tích thành phần các ion Cl-, NO3-,

18

NO2-, SO42- NH4+, K+, Na+, Ca2+, Mg2+ trong
nước mưa

19

2.3.2.1. Phương pháp điện di mao quản sử dụng thiết


24

Kết quả xác định thành phần nước mưa lấy tại các trạm quan
trắc

24

3.2.

Đánh giá thành phần các ion trong nước mưa

39

3.3.

Quá trình axit hóa và trung hòa nước mưa

44

3.4.

Phân tích tương quan các thành phần trong nước mưa

46

3.5.

Hệ số làm giàu và đánh giá nguồn gốc các ion trong nước mưa


Giới hạn phát hiện

LOQ

Giới hạn định lượng

UV-Vis

Phương pháp phổ hấp thụ phân tử vùng tử ngoại khả kiến

FA

Hệ số biểu thi khả năng trung hòa của các dạng axit

NFx

Hệ số biểu thi khả năng trung hòa của các dạng bazơ

EF

Hệ số làm giàu


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1.

Tốc độ chuyển hóa và quá trình wash–out của các hợp
chất chứa lưu huỳnh và nitơ

Bảng 1.2.

bằng phương pháp IC

Bảng 3.2b.

Kết quả phân tích nitrit trong nước mưa bằng phương
pháp CE và đối chứng bằng phương pháp IC

Bảng 3.3a.

30
30

Kết quả phân tích các cation amoni, kali và natri trong
nước mưa bằng phương pháp CE và đối chứng bằng
phương pháp IC

Bảng 3.3b.

33

Kết quả phân tích các cation canxi và magie trong nước
mưa bằng phương pháp CE và đối chứng bằng phương
pháp IC

Bảng 3.4.

Kết quả đo pH và thành phần các anion, cation cơ bản
trong nước mưa

Bảng 3.5.

nước mưa tại khu vực nghiên cứu ở miền Bắc Việt Nam
2015

48


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1.

Sơ đồ quá trình tạo mưa axit

Hình 3.1.

Điện di đồ phân tích mẫu chuẩn của kênh anion

24

Hình 3.2.

Điện di đồ phân tích mẫu chuẩn của kênh cation

25

Hình 3.3.

Các đường chuẩn định lượng phân tích anion và cation
trong mẫu nước

Hình 3.4.


5

42

Mối quan hệ giữa [H3O+] và A. [SO42-], B. [NO3-], C.
[SO42-+NO3-]

44

Mối quan hệ giữa [Mg2++ Ca2++ NH4+] và [SO42-+NO3-]

45


MỞ ĐẦU
Hiện tượng lắng đọng axit bao hàm cho tất cả các loại giáng thủy: mưa,
tuyết, mưa tuyết, mưa đá, sương mù…mà bản chất mang tính axit. Bản chất của
nước mưa thông thường mang tính axit yếu do CO2 của không khí hòa tan trong
nước, nước mưa tinh khiết thường có độ pH khoảng 5,6 – 5,7 [3]. Tuy nhiên
thành phần hóa học và pH của nước mưa thường bị biến đổi do khi rơi xuống mặt
đất đã mang theo một lượng các chất vết khí và hạt bị rửa trôi (wash out) từ khí
quyển. Giá trị pH nước mưa là một chỉ tiêu rất quan trọng trong việc đánh giá
mức độ ô nhiễm môi trường nói chung và mức độ ô nhiễm không khí nói riêng.
Lắng đọng axit lần đầu tiên được ghi nhận ở Châu Âu và Bắc Mỹ. Nhiều
nhà bác học (Robert – Anh 1852, sau đó là Hans Egner – Thụy Điển đầu thế kỷ
20, Oden – Thụy Điển, Gorham – Mỹ) đã nghiên cứu và lên tiếng cảnh tỉnh nhân
loại về nguyên nhân và các hậu quả của lắng đọng axit. Cùng với công cuộc công
nghiệp hóa và hiện đại hóa, rất nhiều các tổ chức thế giới đã được thành lập và
đưa ra các dự án nghiên cứu về hiện tượng lắng đọng axit. Các nhà khoa học đã
chứng minh được rằng các chất gây ô nhiễm không chỉ ảnh hưởng đến chất

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1. Lắng đọng khí quyển và pH của nước mưa [3,4]
1.1.1. Lắng đọng khí quyển
Các chất vết trong khí quyển có nồng độ luôn biến đổi theo thời gian và
không gian. Thời gian lưu của chúng có thể một vài giờ, môt vài tuần hoặc một
vài năm. Quá trình loại bỏ các chất vết này trong khí quyển hay nói cách khác là
quá trình chúng được chuyển từ bầu khí quyển đến bề mặt trái đất được gọi là sự
lắng đọng khí quyển. Sự lắng đọng này được chia làm hai loại: lắng đọng khô và
lắng đọng ướt.
− Lắng đọng khô: Là sự chuyển dịch của các chất vết khí và hạt dưới thời
tiết khô tới bề mặt của vật hấp thụ (đất, hệ thực vật và các bề mặt nước)
− Lắng đọng ướt: Là quá trình vận chuyển, chuyển hóa hóa học của các
thành phần khí và hạt tới bề mặt trái đất dưới các hình thức khác nhau như mưa,
tuyết, sương mù. Quá trình này rất quan trọng vì các thành phần lý hóa học sau
này của lắng đọng ướt phần lớn phụ thuộc vào quá trình này. Quá trình lắng đọng
ướt có thể xảy ra theo hai cơ chế:
Các vết ở thể khí và hạt được sát nhập vào các đám mây nhỏ, chúng có thể
không tan hoặc bị hòa tan trong nước mây. Sau khi bị hấp thụ các chất có thể
tham gia vào các phản ứng hóa học không thuận nghịch và các thành phần khác
trong pha lỏng. Chuyển hóa kiểu này thường xảy ra đối với các chất như SO 2,
NOx chúng có thể bị chuyển hóa không thuận nghịch tạo thành axit hoặc muối,
quá trình này được gọi là Rain – out. Các vật chất được hấp thụ trong mây đi
theo lắng đọng ướt rơi xuống mặt đất và bị loại bỏ khỏi khí quyển.
Các chất vết dưới tầng đám mây bị bắt giữ vào lắng đọng ướt nhờ có sự
đông tụ trọng trường do sự khác nhau giữa tốc độ rơi của hạt trong không khí và
hạt lắng đọng ướt.


4


Hình 1.1.
Sơ đồ quá trình tạo mưa axit
Quá trình này diễn ra theo các phản ứng hoá học:
a. Lưu huỳnh:
S + O2 → SO2
SO2 + O2 → SO3
SO3 + H2O → H2SO4
b. Nitơ:
N2 + O2 → 2NO
2NO + O2 → 2NO2
3NO2(k) + H2O(l) → 2HNO3(l) + NO(k)

5


Axít sunfuric H2SO4 và axit nitric HNO3 là thành phần gây ra mưa axit
1.2. Các nguồn gốc gây mưa axit
Sự có mặt của SO2 và NOx với hàm lượng lớn trong khí quyển (vượt quá
giới hạn cho phép) đang được coi là nguyên nhân chính gây ra mưa axit. Ngoài
ra các thành phần khác như NH3, Cl2, CO2… cũng góp phần quyết định tính axit
của nước mưa. Các khí này một phần được sinh ra trong tự nhiên còn phần lớn là
phát thải từ các hoạt động của con người. Các axit H 2SO4, HNO3 được sinh ra
trong khí quyển từ các tiền chất SO2 và NOx là nguyên nhân chính làm giảm pH
của nước mưa. Thông thường nước mưa có tính axit cao được tìm thấy ở những
vùng bị ảnh hưởng bởi hoạt động của con người.
Trong tự nhiên khí SO2 có thể được sinh ra từ quá trình hoạt động của núi

chất chứa nitơ trong nhiên liệu và một phần nitơ tự nhiên tồn tại trong không khí
tạo thành ôxit nitơ.
Theo điều tra của UNEP khoảng 75% NO x do con người sinh ra là do sự
phát thải của các phương tiện giao thông và đốt nhiên liệu than đá trong các lò
năng lượng và 30% đến 40% từ các nhà máy điện có sử dụng than đá. Ngoài ra
lượng nhỏ NOx còn được sinh ra từ các nơi sản xuất axit nitric (HNO 3) hoặc là
việc sử dụng các phản ứng hóa học. Như vậy, những nguồn gây ô nhiễm không
khí chính là các ngành công nghiệp, nhiên liệu dùng trong sinh hoạt và các
phương tiện giao thông.
Các chất khác gây ra lắng đọng axit là clo và amoniac. Nguồn gốc HCl tự
nhiên quan trọng nhất là phản ứng của muối biển với axit H 2SO4 hoặc HNO3.
Những nguồn khác được tạo ra do hoạt động núi lửa. Việc đốt than cũng sinh ra
lượng HCl đáng kể. Clo tồn tại trong than dưới dạng clorua kim loại tan được và
chủ yếu dưới dạng natriclorua (NaCl) nhưng cũng có những dạng muối khác như
CaCl2, MgCl2… Nguồn chủ yếu khác là đốt chất thải. Clorua tồn tại trong chất
thải dưới dạng muối trong rau và dưới dạng PVC.
1.3. Những yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành mưa axit [3]
Hiện nay người ta đang quan tâm tới hai đối tượng quan trọng nhất được
coi là nguyên nhân gây ra mưa axit là khí SO 2 và NOx. Cường độ phát thải các

7


chất gây ô nhiễm môi trường nói chung và khí SO 2, NOx nói riêng càng tăng thì
khả năng gây mưa axit càng lớn.
Tuy nhiên, hiện tượng lắng đọng axit còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác
như: tổng các chất bụi lơ lửng và khả năng đệm của không khí, hàm lượng chất
kiềm ở trong đất và các điều kiện khí tượng thủy văn.
1.3.1. Cường độ phát thải
Cường độ phát thải là nhân tố quan trọng nhất ảnh hưởng tới chất lượng


0,095

70

Loại bỏ toàn phần khỏi khí
quyển

0,052

19

0,03

33

Wash-out bằng mưa

0,0125

80

Hấp thụ trên bề mặt

0,005

200

0,0475


0,05

Loại bỏ toàn phần
Nitơ ôxit
(NO)

NO2

Axit Nitơric

HNO3

80
200

0,0175

30

3,3

0,3

0,012

8,3

0,025

40


Hấp thụ trên bề mặt

0,015

70

Loại bỏ toàn phần

0,065

16

Chuyển hóa hóa học
Ôxit hóa

Nitơ điôxít

Thời gian lưu T
(giờ)

HNO3

Tương tác với vật chất hữu cơ

1.3.2. Thành phần hóa học trong nước mưa
Thành phần hóa học trong nước mưa quyết định độ pH của nước mưa. Độ
axit của nước mưa không chỉ phụ thuộc thuần túy vào các ion axit (NO 3- , SO42-)
mà còn phụ thuộc vào khả năng trung hòa axit của các ion kiềm. Độ axit của
nước mưa giảm đáng kể khi trong nước mưa có nhiều ion kiềm như: Ca 2+, Mg2+,

được rửa trôi xuống bề mặt trái đất và chúng được tích lũy dần trong đất. Mưa
axit hòa tan các chất khoáng trong đất, những ion kim loại mới được giải phóng
sẽ chiếm chỗ của các ion kim loaik kiềm Ca 2+, Mg2+, K+ từ đất làm đất bị sói mòn,
phá hủy độ màu mỡ. Bên cạnh đó một số vi sinh vật hữu ích trong đất có thể bị
thải trừ dẫn đến sự ức chế một vài quá trình vi sinh. Ví dụ: Ức chế sự phân hủy
xác của các động vật, thực vật. Các quá trình này rất quan trọng trong việc tái tạo

10


lại các chất dinh dưỡng mà cây đã lấy đi từ đất. Nếu đất bị axit hóa sẽ mất đi toàn
bộ màu mỡ, ảnh hưởng đến sự tăng trưởng của cây.
Mưa axit còn có khả năng phá hủy hệ thực vật, các khu rừng rộng lớn. Các
nhà khoa học cho rằng mưa axit đã phá hủy lớp bảo vệ lá và axit đã ngấm vào
bên trong làm cho cây không thở được. Điều này làm ngừng sự chuyển hóa các
chất dinh dưỡng và nước vào cây do đó cây sinh trưởng chậm, ức chế sự tạo
thành chồi, ngọn, giảm sự tạo hạt và giảm sức đề kháng đối với sâu bệnh. Những
kim loại nặng được giải phóng do nước pH thấp có thể phá hủy hệ thống rễ cây.
Những tác động đó không những ảnh hưởng đến năng suất mùa màng mà còn
ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.
1.4.2. Tác động đến hệ sinh thái nước
1. Tác động lên nước bề mặt
Mưa axit gây axit hóa nước sông, suối, hồ, ao, vịnh... Các ion kim loại có
tính độc cao như Zn, Ni, Pb, Al, Hg được hòa tan và rửa trôi từ không khí và từ
đất bởi nước có pH thấp sẽ được tích tụ trong các sông, hồ. Người ta thấy rằng
nồng độ của chúng trong nước bề mặt phụ thuộc vào pH nước mưa từng vùng và
phụ thuộc vào bản chất ion kim loại.
Ở pH = 6 khả năng hòa tan của một số kim loại: Mn > Cd > Zn
Ở pH < 5 có thể hòa tan các muối của Cu, Al
Ở pH < 4 các muối của Pb bị hòa tan

thấp có khả năng tích tụ dần trong thực vật, động vật gây ngộ độc và bệnh tật
cho con người nếu ăn phải chúng. Mặt khác ở nồng độ cao các ion sunphat, nitrat
(đặc biệt là các khí NOx) có thể làm tăng nhạy cảm với bệnh nhiễm khuẩn như:
Bệnh cúm, ảnh hưởng đến quá trình hô hấp, kích ứng phổi và gây viêm phế quản,
viêm phổi, làm tăng tình trạng các bệnh hen, tim... Ngoài ra mưa axit còn phá
hủy những công trình xây dựng. Vì mưa axit có thể ăn mòn các vật liệu làm bằng
sắt, thép, kim loại và đá, phá hủy kết cấu của các bức tường… gây thiệt hại đáng
kể về kinh tế và văn hóa.

12


Tuy nhiên mức độ ảnh hưởng của mưa axit ở mỗi vùng là khác nhau nó phụ
thuộc vào nhiều yếu tố như: Các thông số về khí tượng, thành phần hóa học của
nước mưa, sự nhạy cảm của hệ sinh thái và khả năng đệm của từng vùng. Một số
ion kim loại còn có khả năng tích tụ dần trong một số loài thực vật và tiếp tục
tích tụ trong động vật và người nếu ăn phải chúng (Pb là nguyên tố có khả năng
tích tụ lâu dài và bền vững trong đất, động và thực vật).
Ngày nay các nhà khoa học trên thế giới đang có những công trình nghiên
cứu để làm sáng tỏ hơn về các quá trình trong khí quyển, các quá trình chuyển
đổi trong đất, những biến đổi động, thực vật, những thay đổi về hóa nước mặt, sự
thay đổi của vật chất, những ảnh hưởng về sinh lý học là các hậu quả của mưa
axit.
1.5. Ô nhiễm môi trường không khí và lắng đọng axit ở Việt Nam [1,4]
Cũng như các nước phát triển khác trên thế giới Việt Nam đang trên con
đường tiến tới một đất nước công nghiệp hóa và hiện đại hóa. Trong 10 năm trở
lại đây hàng loạt các nhà máy xí nghiệp được nâng cấp và mở rộng, nhiều nhà
máy mới được xây dựng với quy mô lớn. Thêm vào đó vấn đề gia tăng dân số và
sự phát triển không ngừng của các khu đô thị chắc chắn sẽ gây ra ô nhiễm môi
trường trong đó có ô nhiễm không khí và nước nếu như chúng ta không kiểm

Trung
tính
pH >
5,6-6
27,3

Vinh

33,3

58,3

28,3

30

70

0

Cúc Phương
Hải dương
MT Hà nội
Ninh Bình
TV&MT Hà
nội
Bắc giang

16,7
0

50
60
55,5

16,7

41,7

41,7

22,2

44,4

33,6

Bãi cháy
Phủ liễu
Thái nguyên
Việt trì

0
8,4
18,2
0

50
50
54,5
75

Đông
bắc
Việt
bắc

Năm 2014

Trạm

Thanh hóa

Axit
pH

6

Axit
pH

ion và độ phân giải cao, giới hạn phát hiện thấp. Tuy nhiên chi phí đầu tư ban
đầu cho hệ thiết bị lớn. Quan trọng hơn, hệ thiết bị sắc ký lỏng hiệu năng cao
(HPLC) thường đòi hỏi điều kiện chạy như nguồn điện, bình khí nén dùng cho
pha động, nhiệt độ ổn định. Những điều kiện này khiến HPLC chỉ phù hợp với
phân tích phòng thí nghiệm và khó có thể đưa ra hiện trường hay lắp đặt tại các
trạm quan sát.
Những năm gần đây, phương pháp điện di mao quản (CE) với detector độ
dẫn không tiếp xúc (C4D) thể hiện là giải pháp có khả năng phân tích đồng thời

15


nhiều ion, với hệ thiết bị có cơ chế hoạt động và cấu tạo tương đối đơn giản, có
thể sử dụng nguồn điện ắc quy (hoặc sử dụng pin) phù hợp với phân tích hiện
trường. Bên cạnh các ưu điểm kể trên, hệ thiết bị CE chế tạo trong nước có chi
phí thấp, đòi hỏi lượng mẫu và hóa chất phân tích ít hơn rất nhiều so với HPLC.
Do vậy đây là một ứng cử viên sáng giá cho việc phân tích các ion trong mẫu
nước môi trường tại hiện trường thay thế cho HPLC.

16