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 6
1.3. Những yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành mưa axit 7
1.3.1. Cường độ phát thải 8
1.3.2. Thành phần hóa học trong nước mưa 9
1.3.3. Hàm lượng các chất kiềm trong đất và không khí 9
1.3.4. Điều kiện khí tượng thủy văn 10
1.4. 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 13
1.6. Phương pháp phân tích thành phần các ion trong nước mưa 15
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM 17
2.1. Nội dung và mục tiêu nghiên cứu 17
2.2. Hóa chất và thiết bị 17
2.2.1. Hóa chất 17
2.2.2. Thiết bị 18
2.3. Phương pháp nghiên cứu 182.3.1. Lấy mẫu 18
2.3.2. Phương pháp phân tích thành phần các ion Cl-, NO3-,
NO2-, SO42- NH4+, K+, Na+, Ca2+, Mg2+ trong nướcmưa 19
2.3.2.1. Phương pháp điện di mao quản sử dụng thiết
bị điện di mao quản 2 kênh đi kèm detector độ dẫnkhông tiếp xúc 19
2.3.2.2. Phân tích mẫu đối chứng bằng phương phápsắc ký ion 22
2.3.3. Phương pháp tính xác định hàm lượng bicacbonat,
cân bằng ion và đánh giá thành phần nước mưa 22
2.3.3.1. Hàm lượng bicacbonat 22
2.3.3.2. Chỉ số cân bằng ion
2.3.3.3. Đánh giá các thành phần nước mưa 2223
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 24
3.1. Kết quả xác định thành phần nước mưa lấy tại các trạm quantrắc 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 46
KẾT LUẬN 49
Tài liệu tham khảo 50
66 trang |
Chia sẻ: lavie11 | Lượt xem: 534 | Lượt tải: 1
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận văn Sử dụng thiết bị điện di mao quản xách tay xác định đồng thời thành phần các cation và anion trong nước mưa, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
hết. Đặc biệt cá hồi rất nhạy
cảm với pH thấp.
Như vậy sự lắng đọng axit đã gây lên những biến đổi trong phức hợp quần
thể và giảm sự đa dạng sinh học, gây ra những thay đổi thảm cung cấp thức ăn
dưới nước và cũng là một trong những nguyên nhân của một số loài động thực
vật dưới nước bị diệt chủng.
3. Tác động lên nước ngầm
Mưa axit làm giảm chất lượng nước ngầm đã được nghiên cứu ở một số nơi
trên thế giới. Mưa axit làm pH của nước ngầm thấp, dẫn đến nồng độ của các ion
kim loại nặng và các chất độc trong nước tăng (do được giải phóng từ đất, đá và
ống dẫn). Do đó nước này khi được sử dụng cho sinh hoạt sẽ có độc tính cao.
1.4.3. Những tác động khác
Ảnh hưởng nghiêm trọng của mưa axit còn thể hiện ở chỗ làm tăng khả
năng gây độc của các chất gây ô nhiễm. Các tác động gây axit hóa đất và nguồn
nước đều có tác hại đến động vật và ảnh hưởng đến sức khỏe của con người. Một
số kim loại độc (Ví dụ: Pb) được giải phóng trong đất và nước do mưa có pH
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.
13
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
soát chặt chẽ.
Mặt khác về mặt địa lý Việt Nam nằm trong vùng Châu Á nơi mà hiện nay
đang được coi là khu vực đang phát triển nhanh nhất trên thề giới, đồng thời lại
có đường biên giới tiếp giáp với miền nam Trung Quốc, một trong những vùng
tiêu thụ than lớn trong khu vực, nên việc kiểm soát chất lượng không khí là rất
cần thiết và phải được thực hiện thường xuyên và mang tính chất hệ thống. Các
số liệu về thành phần hóa học nước mưa có một ý nghĩa khoa học rất to lớn, giúp
chúng ta đánh giá được mức độ ô nhiễm môi trường và tìm ra nguồn gốc gây ô
nhiễm.
14
Việt Nam đã bắt đầu chú ý đến đánh giá chất lượng nước mưa bắt nguồn từ
những năm cuối thập kỷ 70. Các trạm lấy mẫu chủ yếu dựa trên mạng lưới trạm
khí tượng thủy văn cho mãi tới năm 1992 mạng lưới hóa nước mưa theo quy
hoạch mới được Tổng cục Khí tượng Thủy văn xét duyệt và đưa vào chính thức
hoạt động. Mạng lưới bao gồm 32 trạm, chủ yếu đặt trong các trạm khí tượng
thủy văn trong phạm vi toàn lãnh thổ. Mục đích của các trạm này là điều tra cơ
bản về chất lượng môi trường, không khí thông qua thành phần hóa học nước
mưa.
Các số liệu pH của nước mưa của các vùng phía Bắc năm 2013, 2014 dưới
đây được thu thập từ phòng Tài nguyên môi trường – Trung tâm mạng lưới Quốc
gia – Trung tâm khí tượng thủy văn. Kết quả đo độ pH nước mưa hàng tháng của
các năm được tóm tắt trong bảng (1.1)
Bảng 1.2. Phân loại các trận mưa theo đặc tính pH (%)
Khu
vực
Trạm
Năm 2013 Năm 2014
Axit
pH
<5,6
Trung
tính
pH >
5,6-6
Kiềm
pH >
6
Axit
pH
<5,6
Trung
tính
pH >
5,6-6
Kiềm
pH > 6
Bắc
trung
bộ
Thanh hóa 0 27,3 72,7 0 33,3 66,7
Vinh 33,3 58,3 28,3 30 70 0
Đông
bắc bộ
Cúc Phương 16,7 16,7 64,7 20 60 20
Hải dương 0 50 50 20 60 20
MT Hà nội 0 50 50 0 50 50
Ninh Bình 0 8,4 91,6 0 40 60
TV&MT Hà
nội
0 33,3 66,7 0 44,5 55,5
Đông
bắc
Bắc giang 16,7 41,7 41,7 22,2 44,4 33,6
Bãi cháy 0 50 50 0 50 50
Phủ liễu 8,4 50 41,7 0 44,5 55,5
Việt
bắc
Thái nguyên 18,2 54,5 27,2 0 77,8 22,2
Việt trì 0 75 25 0 55,5 44,5
15
Từ kết quả phân tích thành phần của nước mưa hàng tháng đã cho thấy ở
các vùng đã thỉnh thoảng xuất hiện các trận mưa có pH thấp (pH<5). Từ đó cần
phải kiểm tra chặt chẽ về pH và thành phần hóa học nước mưa tìm ra những
nguồn gốc gây ô nhiễm. Góp phần quan trọng trong việc đánh giá chất lượng
không khí nói riêng và môi trường nói chung.
1.6. Phương pháp phân tích thành phần các ion trong nước mưa
Các ion vô cơ chính có mặt trong thành phần nước mưa là: HCO3
-, Cl-,
NO3
-, NO2
-, SO4
2- NH4
+, K+, Na+, Ca2+, Mg2+. Ngoài bicacbonat được phân tích
bằng phương pháp chuẩn độ, hàm lượng các ion khác có thể xác định bằng nhiều
phương pháp như sắc ký, đo quang, điện hóa. Với khoảng nồng độ của các ion
trong nước mưa, hai phương pháp phổ biến hiện nay được dùng để đo hàm lượng
các ion đơn giản trong nước là quang phổ hấp thụ phân tử (UV-Vis) và sắc ký
ion (IC).
Đối với phương pháp UV-Vis, phương pháp này tương đối đơn giản ít tốn
kém, có thể thực hiện ở hiện trường. Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp là
không thể phân tích đồng thời nhiều ion. Mỗi ion đòi hỏi quá trình chuẩn bị mẫu
cũng như dựng đường chuẩn khác nhau. Các bộ kit UV hiện trường của các hãng
như Merck, Hach tuy đã đơn giản hóa quy trình hơn rất nhiều nhưng lại đòi hỏi
chi phí lớn cho hóa chất tiêu hao. Phương pháp sắc sắc ký ion [5] là một phương
pháp ưu thế trong việc phân tích các ion do khả năng phân tích đồng thời nhiều
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
16
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.
17
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM
2.1. Nội dung và mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu này được thực hiện với nội dung thu thập các mẫu nước mưa
lấy tại các trạm quan trắc khu vực miền Bắc, phân tích thành phần hóa học: các
anion, cation chính (Cl-, NO3
-, NO2
-, SO4
2- NH4
+, K+, Na+, Ca2+, Mg2+ ) trong
mẫu nước mưa sử dụng thiết bị điện di mao quản xách tay loại 2 kênh, đánh giá
kết quả thu được về cân bằng ion, các yếu tố liên quan tới độ axit, khả năng trung
hòa của nước mưa, nguồn gốc các ion trong nước mưa. Nghiên cứu có mục tiêu:
- Đánh giá thành phần hóa học, xác định ảnh hưởng của các ion này đến
mức độ axit của nước mưa, xác định nguồn gốc của các ion này.
- Chứng minh khả năng sử dụng thiết bị điện di mao quản xách tay hai kênh
trong việc phân tích đồng thời nhóm cation và anion sử dụng cho quan
trắc môi trường nước.
2.2. Hóa chất và thiết bị
2.2.1. Hóa chất
Các hóa chất tinh khiết phân tích được mua từ Merck hoặc Sigma- Aldrich
bao gồm: histidin C6H9N3O2 (rắn), axit axetic băng (100%), 18-crown-6 (rắn),
các muối rắn: natri clorua (NaCl), kali clorua (KCl), canxi clorua (CaCl2), magie
clorua (MgCl2.6H2O), amoni clorua (NH4Cl), natri nitrat (NaNO3), natri sunfat
(Na2SO4) và dung dịch gốc nitrit 1000 mg/L. Nước đeion với điện trở 18,2
MΩ/cm được cung cấp từ thiết bị deion cho nước tinh khiết (Milipore –
Simplicity UV, Pháp).
2.2.2. Thiết bị
- Hệ điện di mao quản tự động, xách tay loại 2 kênh sử dụng detector độ dẫn
không tiếp xúc do Trung tâm CETASD, Đại học Khoa học Tự nhiên tự chế
tạo. Hệ thiết bị gồm những phần chính như sau: hệ thống bơm mẫu và dẫn
18
lỏng, bộ phát cao thế EMCO (± 30 kV), mao quản silica nóng chảy, cảm biến
đo độ dẫn không tiếp xúc (C4D- version 12), bộ ghi tín hiệu eDAQ 401.
- Thiết bị sắc ký ion IC, Shimadzu, Nhật Bản
- Điện cực đo pH và độ dẫn hiện trường, Hach
- Cân phân tích 3 số, Shimadzu, Nhật bản
- Máy nước đeion Milipore – Simplicity UV, Pháp
- Máy siêu âm Elma D-78224 Singen/HTW, Đức.
- Micropipet và đầu tip với các cỡ khác nhau Ependof.
- Các bình định mức thủy tinh 10, 25, 50 và 100 mL được sử dụng để pha các
dung dịch gốc của các cation, các anion, các dung dịch đệm.
- Các lọ nhựa 20 mL, 50 mL đựng các dung dịch chuẩn và đựng mẫu so sánh
mang về phòng thí nghiệm để phân tích bằng các phương pháp chuẩn .
- Thìa cân và thuyền cân phục vụ cân mẫu
2.3. Phương pháp nghiên cứu
2.3.1. Lấy mẫu
22 mẫu nước mưa được lấy vào tháng 5/2015 tại các trạm quan trắc ở miền
Bắc thuộc 4 vùng như sau:
- Vùng Bắc trung bộ: trạm Thanh Hóa, trạm Vinh;
- Vùng Đồng bằng Bắc bộ: trạm Cúc Phương, trạm Hải Dương, trạm Môi
trường Hà nội, trạm Ninh Bình, trạm Thủy văn và Môi trường Hà nội;
- Vùng Đông Bắc bộ: trạm Bắc Giang, trạm Bãi Cháy, trạm Phù Liễu;
- Vùng Việt trì: trạm Thái Nguyên, trạm Việt Trì.
Mẫu được lấy theo Tiêu chuẩn TCVN 5997:1995 (tương đương tiêu chuẩn
chất lượng ISO 5667-8:1993) về hướng dẫn lấy mẫu nước mưa [6]. Mẫu nước
mưa được bảo quản bằng toluen, ở nhiệt độ 40C.
19
2.3.2. Phương pháp phân tích thành phần các ion Cl-, NO3
-, NO2
-, SO4
2- NH4
+,
K+, Na+, Ca2+, Mg2+ trong nước mưa
2.3.2.1. Phương pháp điện di mao quản sử dụng thiết bị điện di mao quản 2
kênh đi kèm detector độ dẫn không tiếp xúc [2]
* Chuẩn bị hóa chất
Các dung dịch chuẩn gốc của các ion Na+, K+, Mg2+, Ca2+, NH4
+ 100 mg/L
được pha từ các muối NaCl, KCl, MgCl2.6H2O, CaCl2, NH4Cl bằng nước đeion.
Các dung dịch chuẩn gốc của các ion Cl-, SO4
2-, NO3
- được pha từ các muối
NaCl, Na2SO4, NaNO3 bằng nước đeion. Dung dịch chuẩn gốc của 2NO
được sử
dụng là dung dịch chuẩn bán sẵn 1000 mg/L theo 2NO
. Các dung dịch chuẩn
gốc này được lưu trong từng lọ nhựa riêng biệt và có thể sử dụng được trong thời
gian 6 tháng với điều kiện bảo quản lạnh ở 4oC.
Các dung dịch chuẩn hỗn hợp chứa nhóm cation/ hoặc nhóm anion để dựng
đường chuẩn được chuẩn bị và sử dụng hàng ngày bằng cách pha loãng các dung
dịch chuẩn gốc trong nước deion theo các tỷ lệ thích hợp.
Dung dịch đệm điện di sử dụng cho phân tích nhóm anion là histidine 12
mM có pH 4,0 điều chỉnh bằng axit lactic được chuẩn bị như sau: cân 0,465 g
histidin cho vào bình định mức 250 mL, thêm 465µL axit lactic 100%, thêm
nước đeion tới vạch mức. Dung dịch đệm điện di sử dụng cho phân tích nhóm
cation là histidin 12 mM có pH 3,8 điều chỉnh bằng axit axetic và bổ sung thêm
18-crown-6 nồng độ 2 mM. Dung dịch này được chuẩn bị như sau: cân 0,465 g
histidin cho vào bình định mức 250 mL, thêm 1,25 mL axit axetic 100%, thêm 1
mL 18-crown-6 200 mM, thêm nước đeion tới vạch mức. Các dung dịch đệm
điện di chỉ dùng trong ngày và đều được siêu âm để loại bọt khí trước khi sử
dụng.
Trước khi phân tích điện di có thể cần lọc mẫu qua giấy lọc có đường kính
lỗ 0,45 µm.
20
* Phân tích định tính và định lượng các anion và cation:
Nguyên tắc: Nhóm anion (clorua, nitrit, nitrat, sunfat) và nhóm cation
(amoni, natri, kali, canxi, magie) được phân tích trên 2 kênh riêng biệt của thiết
bị điện di mao quản sử dụng detector độ dẫn không tiếp xúc (C4D). Trên từng
kênh, khi có sự chênh lệch điện thế giữa hai đầu mao quản, các ion với điện tích
và kích thước khác nhau sẽ di chuyển với vận tốc khác nhau trong mao quản và
được tách ra khỏi nhau. Việc nhận biết các ion sẽ được thực hiện bằng detector
C4D đặt cuối mao quản.
Các ion được định tính bằng cách so sánh thời gian lưu của tín hiệu trong
dung dịch mẫu với thời gian lưu của tín hiệu trong dung dịch chuẩn. Nồng độ các
ion được xác định bởi chiều cao hoặc diện tích tín hiệu tương ứng thu được từ
detector C4D.
Cách tiến hành phân tích:
Bước 1: Cài đặt các thông số hoạt động của thiết bị như Bảng 2.1. Trước
khi tiến hành phân tích, cần rửa mao quản, chỉnh tín hiệu đường nền về 0 nếu cần
thiết, bắt đầu bơm mẫu khi đường nền ổn định.
Bảng 2.1. Thông số vận hành của hệ điện di mao quản tự động xách tay
2 kênh
Thông số Đơn vị Giá trị
Thể tích vòng mẫu L 150
Thời gian bơm mẫu giây 5
Thời gian chuyển mẫu giây 2
Thời gian đẩy mẫu giây 4
Vị trí van kim
0.10 (kênh anion)
0.16 (kênh cation)
Đường kính mao quản m
50 (kênh anion)
25 (kênh cation)
Điện thế tách kV
+15 (kênh anion)
-15 (kênh cation)
21
Bước 2: Xác định thời gian lưu của các ion trong hỗn hợp. Bơm các dung
dịch chuẩn hỗn hợp anion và cation vào máy. Dựng các đường chuẩn để định
lượng cho từng ion trong hỗn hợp anion/cation, mỗi đường chuẩn gồm 7 điểm
với các nồng độ 0,2 tới 20 mg/l cho anion và 0,2 mg/l tới 10 mg/l cho cation.
Bước 3. Đo mẫu thật : Sau khi lập các đường chuẩn, bơm mẫu thật vào
hệ điện di mao quản 2 kênh và đo tín hiệu của dung dịch mẫu. Trước hết các pic
của từng ion được định tính theo thời gian lưu đã xác định chính xác khi phân
tích các dung dịch chuẩn. Sau đó với các pic đã định tính, sử dụng chức năng kẻ
chân pic, tính diện tích của phần mềm ghi dữ liệu. Các kết quả diện tích tín hiệu
được đưa vào phương trình đường chuẩn để xác định nồng độ từng ion trong
mẫu. Nếu nồng độ của chất phân tích cao hơn điểm cao nhất của đường chuẩn
cần pha loãng mẫu theo tỷ lệ thích hợp.
Bảng sau đây trình bày giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng
(LOQ) của phương pháp phân tích trên với các cation và anion trong nước mưa.
Bảng 2.2. LOD và LOQ của phương pháp điện di mao quản sử dụng
điện cực đo độ dẫn không tiếp xúc cho phân tích các cation và anion trong
nước mưa
Anion xác
định
LOD
mg/L
LOQ
mg/L
Cation xác
định
LOD
mg/L
LOQ
mg/L
Clorua (Cl-) 0,05 0,15 Amoni (NH4
+) 0,02 0,05
Nitrit (NO2
-) 0,06 0,20 Natri (Na+) 0,06 0,20
Nitrat (NO3
-) 0,05 0,15 Kali (K+) 0,06 0,20
Sunfat (SO4
2-) 0,05 0,15 Canxi (Ca2+) 0,08 0,25
Magie (Mg2+) 0,06 0,20
22
2.3.2.2. Phân tích mẫu đối chứng bằng phương pháp sắc ký ion
Để đánh giá độ đúng của phương pháp điện di mao quản sử dụng detector
độ dẫn không tiếp xúc cần phân tích các mẫu đối chứng đồng thời phương pháp
tiêu chuẩn là sắc ký ion. Độ đúng của phương pháp nghiên cứu được phản ánh
qua phần trăm sai số của các kết quả cung cấp bởi hai phương pháp. Trong
nghiên cứu này, nồng độ các cation và các anion trong nước mưa được phân tích
đối chứng theo phương pháp sắc ký ion tại Trung tâm Mạng lưới Khí tượng Thủy
văn và Môi trường và Trung tâm CETASD.
2.3.3. Phương pháp tính xác định hàm lượng bicacbonat, cân bằng ion và
đánh giá thành phần nước mưa
2.3.3.1. Hàm lượng bicacbonat
Hàm lượng bicacbonat được tính toán theo công thức lý thuyết sau:
[HCO3
–]= {K(S+[Me2+])}/(10–pH+K)
trong đó:
K = 4,2 x 10–7 là hằng số phân lý bậc 1 của H2CO3,
S = 3,05 x 10–2 molL–1 là độ tan của CO2 trong nước ở điều kiện 25 °C, 1 atm,
[Me2+]=([Ca2+]+[Mg2+]) molL–1.
2.3.3.2. Chỉ số cân bằng ion
Chỉ số cân bằng ion được tính cho các mẫu đã phân tích để xác định tính
hợp lý của các kết quả phân tích, dự đoán ion còn thiếu cho cân bằng. Chỉ số này
được xác định dựa trên công thức sau:
(Tổng nồng độ cation – Tổng nồng độ anion)
Chỉ số cân bằng ion = ------------------------------------------------------------ x 100%
(Tổng nồng độ cation + Tổng nồng độ anion)
(nồng độ tính theo đương lượng)
23
2.3.3.3. Đánh giá các thành phần nước mưa
Các thành phần và tỷ lệ thành phần đặc trưng cho tính axit của nước mưa,
khả năng trung hòa axit, yếu tố làm giàu nước mưa, sự đóng góp từ các nguồn
gốc khác nhau cho các thành phần của nước mưa được xác định trên cơ sở các
kết quả phân tích để đưa ra các đánh giá sơ bộ về đặc điểm thành phần nước mưa
lấy tại các trạm quan trắc khu vực miền Bắc
Người ta thường sử dụng hệ số FA biểu thị phần axit phát sinh do các axit mạnh
nói trên không bị trung hòa bởi thành phần bazơ. Hệ số này được xác định dựa
trên công thức sau:
FA = [H+]/([SO4
2- ]+ [NO3
-])
(nồng độ các ion dựa trên giá trị mean của các mẫu phân tích – nồng độ tính theo
đương lượng).
Khả năng trung hòa nước mưa của các dạng bazơ có thể tính theo phương
trình: NFx = [X]/ [SO4
2- ]+ [NO3
-] ([X]- nồng độ các ion dạng bazơ - tính theo
đương lượng).
Hệ số làm giàu (EF) là thông số thường được sử dụng để nhận dạng nguồn gốc
các nguyên tố thành phần trong nước mưa. Trong đó Na được sử dụng làm
nguyên tố so sánh cho nguồn gốc từ biển, Ca là đại diện cho nguồn gốc đất đá từ
lục địa. Hệ số làm giàu EF đối với ion X được tính theo công thức:
EF biển = [X/Na
+]nước mưa/[X/Na
+]biển; EF đất = [X/Ca
2+]nước mưa/[X/Ca
2+]đất
Các giá trị [X/Na+]biển và [X/Ca
2+]đất là cố định - nồng độ tính theo đương lượng
Tỷ lệ nguồn gốc đóng góp của nguyên tố vào thành phần của nước mưa được
tính theo công thức sau:
(biển) % SSF= 100x [X/Na+]biển/[X/Na
+]nước mưa
(đất) %CF= 100x [X/Na+]đất/[X/Na
+]nước mưa
(nhân tạo) %AF= 100 - % SSF - %CF
24
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Kết quả xác định thành phần nước mưa lấy tại các trạm quan trắc
Các ion trong nước mưa được định tính trong từng nhóm anion hoặc cation
theo thời gian lưu. Bảng dưới đây là thời gian lưu xác định được khi phân tích
hỗn hợp chuẩn.
Bảng 3.1. Thời gian lưu của các ion
Anion xác định Thời gian lưu (s) Cation xác định Thời gian lưu
(s)
Clorua (Cl-) 250 Amoni (NH4
+) 195
Nitrit (NO2
-) 270 Natri (Na+) 280
Nitrat (NO3
-) 285 Kali (K+) 215
Sunfat (SO4
2-) 305 Canxi (Ca2+) 265
Magie (Mg2+) 295
Hình 3.1. Điện di đồ phân tích mẫu chuẩn của kênh anion
25
Hình 3.2. Điện di đồ phân tích mẫu chuẩn của kênh cation
Từ các dữ liệu thu được khi phân tích mẫu chuẩn có thể xây dựng được các
đường chuẩn để định lượng từng anion/cation. Các đường chuẩn đã xây dựng đều
có hệ số tuyến tính tốt R2 > 0,99 (Hình 3.3).
Nồng độ (mg/L)
D
iệ
n
tí
ch
tí
n
h
iệ
u
(m
V
.s
)
Cl-
26
Nồng độ (mg/L)
D
iệ
n
tíc
h
tín
h
iệ
u
(m
V
.s
)
NO3-
Nồng độ (mg/L)
D
iệ
n
tíc
h
tín
h
iệ
u
(m
V
.s
)
NO2-
Nồng độ (mg/L)
D
iệ
n
tíc
h
tín
h
iệ
u
(m
V
.s
)
SO42-
27
Nồng độ (mg/L)
D
iệ
n
tíc
h
tín
h
iệ
u
(m
V
.s
)
NH4+
Nồng độ (mg/L)
D
iệ
n
tí
c
h
tí
n
h
iệ
u
(m
V
.s
)
K+
Nồng độ (mg/L)
D
iệ
n
tíc
h
tín
h
iệ
u
(m
V
.s
)
Na+
28
Hình 3.3. Các đường chuẩn định lượng phân tích anion và cation trong mẫu
nước
Điện di đồ tiêu biểu khi phân tích mẫu nước mưa thật đồng thời trên 2 kênh
của hệ thiết bị được thể hiện trên hình 3.4. Trong thời gian 6 phút có thể hoàn
thành phép phân tích cả hai nhóm cation và anion với độ phân giải các tín hiệu
trong từng nhóm tốt.
Nồng độ (mg/L)
D
iệ
n
tíc
h
tín
h
iệ
u
(m
V
.s
)
Ca2+
Nồng độ (mg/L)
D
iệ
n
tíc
h
tín
h
iệ
u
(m
V
.s
)
Mg2+
29
Hình 3.4. Điện di đồ phân tích mẫu nước mưa M3-19 sử dụng hệ thiết bị
điện di mao quản 2 kênh
Thành phần anion, cation cơ bản và pH của 22 mẫu nước mưa được chỉ ra
trong các bảng 3.2a, 3.2b, 3.3a và 3.3b. Để khẳng định khả năng sử dụng phương
pháp điện di mao quản xác định các thành phần anion, cation cơ bản trong nước
mưa, các mẫu đã được gửi đi phân tích đối chứng bằng phương pháp sắc ký ion
tiêu chuẩn tại Phòng thí nghiệm Phân tích Môi trường của Trung tâm mạng lưới
khí tượng Thủy văn và Môi trường và Phòng thí nghiệm VSL của Trung tâm
Nghiên cứu Công nghệ Môi trường và Phát triển Bền vững.
Dữ liệu từ bảng 3.2a và 3.2b cho thấy, kết quả nồng độ các anion giữa
phương pháp CE và phương pháp IC có sự tương quan tốt khi hầu hết đều có sai
số nhỏ hơn 15%. Đối với ion Cl- chỉ có M5-2 mắc sai số +17%. Đối với ion NO2
-
, cả 2 phương pháp CE và IC chỉ phát hiện sự có mặt của nitrit ở 2 mẫu M2-19 và
M3-19, sự sai khác giữa 2 phương pháp ở 2 mẫu này đều < 10%, tương ứng là +1
và -9%. Bảng số liệu còn cho thấy, với một số mẫu, hàm lượng anion đo được
nằm dưới khoảng LOQ của phương pháp CE trong khi phương pháp IC cho kết
quả lớn hơn. Điều này, ngoài nguyên nhân do sai số ngẫu nhiên, còn có thể do sự
30
thay đổi ở mẫu ngoài hiện trường với mẫu mang về phòng thí nghiệm đối chứng
(các mẫu M3-21, M5-20, M8-21, M13-20).
Bảng 3.2a. Kết quả phân tích các anion clorua, nitrat và sunfat trong nước mưa
bằng phương pháp CE và đối chứng 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
STT Mẫu NO2
-
CE (mg/L) IC (mg/L) SS (%)
1 M2-19 0,35 0,35 1
2 M3-19 0,49 0,54 -9
31
Đồ thị tương quan giữa hai phương pháp được trình bày dưới đây. Các giá
trị hệ số tương quan (R2 hay R-Sq) thu được đều tốt đối với cả 3 ion Cl-, NO3
- và
SO4
2- khi R2 đều lớn hơn 0,97 (hay 97%), nói cách khác, kết quả thu được từ
phương pháp CE và IC có sự tương quan tuyến tính với nhau.
543210
6
5
4
3
2
1
0
S 0.193710
R-Sq 97.8%
R-Sq(adj) 97.7%
Cl-IC
C
l-
C
E
Tương quan kết quả nồng độ Cl- giữa phương pháp CE và IC
Y = 0.9930X - 0.00832
43210
4
3
2
1
0
S 0.131136
R-Sq 97.2%
R-Sq(adj) 97.0%
NO3-IC
N
O
3
-C
E
Tương quan kết quả nồng độ NO3- giữa phương pháp CE và IC
Y =0.9093X + 0.1209
32
Hình 3.5. Tương quan kết quả nồng độ các anion giữa phương pháp CE và
IC
Sử dụng phần mềm Minitab (v17) để so sánh hai tập số liệu thu được từ hai
phương pháp thông qua chuẩn T-Test, chúng tôi thu được các kết quả như sau:
Paired T for Cl-CE - Cl-IC
N Mean StDev SE Mean
Cl-CE 22 1.977 1.264 0.269
Cl-IC 22 2.000 1.258 0.268
Difference 22 -0.0223 0.1892 0.0403
95% CI for mean difference: (-0.1062, 0.0616)
T-Test of mean difference = 0 (vs ≠ 0): T-Value = -0.55 P-Value = 0.586
Paired T for NO3-CE - NO3-IC
N Mean StDev SE Mean
NO3-CE 18 1.294 0.763 0.180
NO3-IC 18 1.290 0.827 0.195
Difference 18 0.0039 0.1477 0.0348
95% CI for mean difference: (-0.0696, 0.0773)
T-Test of mean difference = 0 (vs ≠ 0): T-Value = 0.11 P-Value = 0.913
302520151050
30
25
20
15
10
5
0
S 0.617423
R-Sq 99.1%
R-Sq(adj) 99.0%
SO4-IC
S
O
4
-C
E
Tương quan kết quả nồng độ SO42- giữa phương pháp CE và IC
Y =0.9394X + 0.2857
33
Paired T for SO4-CE - SO4-IC
N Mean StDev SE Mean
SO4-CE 22 5.71 6.20 1.32
SO4-IC 22 5.78 6.56 1.40
Difference 22 -0.065 0.722 0.154
95% CI for mean difference: (-0.385, 0.255)
T-Test of mean difference = 0 (vs ≠ 0): T-Value = -0.42 P-Value = 0.679
Các giá trị P-Value thu được đối với 3 anion đều > 0,05 cho thấy kết quả
thu được từ hai phương pháp là như nhau. Lưu ý rằng, tập số liệu của NO2
- nhỏ,
do đó chúng tôi không thực hiện các kiểm chứng này.
Dữ liệu từ bảng 3.3.a và 3.3.b cho thấy, kết quả nồng độ các cation giữa
phương pháp CE và phương pháp IC có sự tương quan tương đối tốt, đa số mẫu
có sai số nhỏ hơn 15%, tuy kết quả không tốt như kênh anion và chủ yếu mắc sai
số âm. Đối với ion NH4
+, mẫu M11-19 có sai số -17%. Ion K+ có 1 mẫu mắc sai
số > 15%, là M8-19 -19%. Ion Na+, Ca2+ , Mg2+ có sai số lớn nhất là -20, -18 và
+24% ở các mẫu M12-19, M6-20 và M5-20.
Bảng 3.3a. Kết quả phân tích các cation amoni, kali và natri trong nước mưa
bằng phương pháp CE và đối chứng bằng phương pháp IC
STT Mẫu
NH4
+ K+ Na+
CE
(mg/L)
IC
(mg/L)
SS%
CE
(mg/L)
IC
(mg/L)
SS%
CE
(mg/L)
IC
(mg/L)
SS%
1 M2-19 0,18 0,20 -10 < 0,20 0,16 - 1,01 0,93 8
2 M2-20 0,16 0,18 -12 < 0,20 0,09 - 1,24 1,09 14
3 M3-19 0,53 0,57 -6 0,42 0,43 -2 1,05 1,04 1
4 M3-20 0,15 0,18 -15 < 0,20 0,12 - 0,87 0,96 -9
5 M3-21 < 0,05 0,05 0 < 0,20 0,17 - 0,21 0,24 -13
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- luanvanthacsi_dinhdangword_93_0761_8241_1874204.pdf