Bước đầu xây dựng quy trình phân tích tỷ số đồng vị δ13CDIC trong mẫu nước ngầm trên khối phổ kế tỷ số đồng vị

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
KHOA MÔI TRƯỜNG

BÙI THỊ HƯƠNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
BƯỚC ĐẦU XÂY DỰNG QUY TRÌNH PHÂN TÍCH
TỶ SỐ ĐỒNG VỊ δ13 CDIC TRONG MẪU NƯỚC NGẦM
TRÊN KHỐI PHỔ KẾ TỶ SỐ ĐỒNG VỊ EA-IRMS

Hà Nội, 2015


TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
KHOA MÔI TRƯỜNG

BÙI THỊ HƯƠNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
BƯỚC ĐẦU XÂY DỰNG QUY TRÌNH PHÂN TÍCH
TỶ SỐ ĐỒNG VỊ δ13 CDIC TRONG MẪU NƯỚC NGẦM
TRÊN KHỐI PHỔ KẾ TỶ SỐ ĐỒNG VỊ EA-IRMS

Chuyên ngành
Mã ngành

: Công nghệ kỹ thuật môi trường
: 52510406

NGƯỜI HƯỚNG DẪN :

Hà Nội, 2015

TS. MAI VĂN TIẾN
ThS. LÊ THU THỦY


LỜI CẢM ƠN
Đồ án tốt nghiệp được hoàn thành tại khoa Môi trường, trường Đại học
Tài nguyên và Môi trường Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Mai
Văn Tiến, cùng sự giúp đỡ của ThS. Lê Thu Thủy. Em xin bày tỏ lòng biết ơn
sâu sắc tới Ban giám hiệu, Khoa Môi trường và đặc biệt là lời cảm ơn tới giáo
viên hướng dẫn - thầy Mai Văn Tiến và cô Lê Thu Thủy đã giúp đỡ em trong
quá trình học tập và nghiên cứu.
Em xin gửi lời biết ơn chân thành tới Ban lãnh đạo Viện Khoa học và
Kỹ thuật Hạt nhân và tập thể Phòng thí nghiệm Thủy văn Đồng vị đã tạo môi
trường học tập, làm việc và nghiên cứu cho em trong suốt thời gian qua.
Em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến ThS. Nguyễn Thị Hồng Thịnh đã tạo
điều kiện cho em được học tập và tham gia vào đề tài nghiên cứu để có thể
hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.
Cuối cùng, em xin ghi nhớ công ơn của các thầy cô giáo, gia đình,
người thân, bạn bè đã luôn ủng hộ, động viên em để em có được thành quả
như ngày hôm nay.


THUẬT NGỮ VÀ ĐỊNH NGHĨA

THUẬT

ĐỊNH NGHĨA

NGỮ

Carbon là nguyên tố hóa học có ký hiệu là C và số nguyên
Carbon

tử bằng 6 trong bảng Hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa
học. Carbon là một nguyên tố phi kim có hóa trị 4 phổ biến.
Tên tiếng anh là “Isotope Hydrology”, là lĩnh vực khoa học
thủy văn sử dụng các đồng vị của nước và các đồng vị của

Thủy văn

các khoáng chất tan trong nước để ước tính thời gian lưu

đồng vị

trung bình của tầng chứa nước cũng như để nghiên cứu bản
chất của nước dưới đất và sự vận động của nước trong chu
trình thủy văn.
Đồng vị là các dạng của cùng nguyên tố hóa học có cùng

Đồng vị

số proton trong hạt nhân nguyên tử nhưng có số khối khác
nhau vì có chứa số neutron khác nhau

Tỷ số đồng
vị 13C/12C
(δ13C)

Là tỷ số giữa đồng vị 13C/12C trong mẫu (sample) so với tỷ
số chuẩn (standard) và được tính như sau:
13

δ13C (‰) = ( 13

C 12

C 12

C sample

− 1 )*1000

C s tan dard

(giá trị δ13C không có thứ nguyên)


BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU

DIC

Carbon vô cơ hòa tan

DIW

De-ionized water (Nước khử ion)

EA-IRMS

Khối phổ kế tỷ số đồng vị

IAEA

Cơ quan Năng lượng nguyên tử Quốc tế

NBS

Ủy ban chuẩn quốc gia Mỹ

PDB

Pee Dee Belemnite : Mẫu chuẩn nguyên liệu hóa thạch

QA/QC

Đảm bảo chất lượng và kiểm tra chất lượng

VPDB

Chất chuẩn có tên Vienna Pee Dee Belemnite

Viện

Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân

KH&KTHN
δ13C

Biểu thức delta chỉ tỷ số đồng vị carbon (13C/12C)

δ13CDIC

Biểu thức delta chỉ tỷ số đồng vị carbon (13C/12C) vô cơ hòa tan

δ13CCO2 ref

Biểu thức delta chỉ tỷ số đồng vị carbon (13C/12C) của khí chuẩn
CO2 tinh khiết


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
THUẬT NGỮ VÀ ĐỊNH NGHĨA
BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU
DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC HÌNH VẼ
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
1. Nhu cầu và lý do thực hiện đề tài................................................................ 1
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài. .................................................................. 2
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. .................................................................. 2
4. Đối tượng, phạm vi thực hiện. .................................................................... 2
5. Tóm tắt các nội dung nghiên cứu. ............................................................... 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ......................................................................... 4
1.1. Tổng quan phương pháp đồng vị δ13C. .................................................... 4
1.1.1. Giới thiệu chung về carbon vô cơ hòa tan . ....................................... 4
1.1.2. Đồng vị bền carbon và tỷ số đồng vị bền δ13C . ................................ 6
1.2. Tình hình sử dụng tỷ số đồng vị δ13C để nghiên cứu các bài toán về môi
trường............................................................................................................. 8

1.3. Giới thiệu chung về thiết bị đo tỷ số đồng vị δ13C. ............................... 11
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM .................................................................... 17
2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. ......................................................... 17
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu. .................................................................... 17
2.1.2. Phạm vi nghiên cứu. ....................................................................... 17
2.2. Phương pháp nghiên cứu. ...................................................................... 18
2.3. Quy trình xử lý mẫu phân tích δ13CDIC trong mẫu nước ngầm . ............ 18
2.3.1. Hóa chất sử dụng: ........................................................................... 18
2.3.2. Lựa chọn mẫu. ............................................................................... 19


2.3.3. Chuẩn độ alkalinity (độ kiềm). ....................................................... 19
2.3.4. Kết tủa carbon vô cơ hòa tan. ......................................................... 21
2.3.5. Cân, gói mẫu cho phân tích trên khối EA-IRMS. ............................ 22
2.4. Phân tích mẫu trên hệ khối phổ kế tỷ số đồng vị EA-IRMS. .................. 23
2.4.1. Thiết bị. .......................................................................................... 23
2.4.2. Hóa chất sử dụng trong nghiên cứu. ................................................ 23
2.5. Đánh giá độ lặp của mẫu trong phân tích. .............................................. 23
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 25
3.1. Kết quả xử lý mẫu nước. ....................................................................... 25
3.1.1. Kết quả khối lượng kết tủa trong các mẫu giả. ................................ 25
3.1.2. Kết quả chuẩn độ alkalinity mẫu nước ngầm................................... 26
3.1.3. Kết quả kết tủa BaCO3 trong mẫu nước ngầm. ................................ 27
3.2. Kết quả phân tích trên khối phổ kế tỷ số đồng vị EA-IRMS. ................. 27
3.2.1. Chương trình phân tích 13C tối ưu của hệ EA-IRMS........................ 27
3.2.2. Đường chuẩn tỷ số đồng vị δ13CV-PDB. ............................................. 29
3.2.3. Sắc đồ phân tích mẫu chuẩn và mẫu thực. ....................................... 30
3.2.4. Kết quả kiểm tra độ lặp lại và độ chính xác của quy trình. .............. 31
3.2.5. Kết quả tỷ số đồng vị δ13CDIC và các thông số hiện trường của nước
ngầm và mẫu giả. ..................................................................................... 32

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 35
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 36


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Giá trị biến thiên tỷ lệ 13C/12C (δ13C) của các thành phần khác nhau
trong môi trường. ........................................................................................... 7
Bảng 2.1. Độ sâu của mẫu nước ngầm tại xã Vân Phúc ................................ 17
Bảng 3.1. Kết quả khối lượng kết tủa trong các mẫu giả............................... 25
Bảng 3.2. Kết quả chuẩn độ alkalinity mẫu nước ngầm. ............................... 26
Bảng 3.3. Kết quả kết tủa BaCO3 trong mẫu nước ngầm. ............................. 27
Bảng 3.4. Điều kiện đốt mẫu và tách CO2 trên khối EA. .............................. 28
Bảng 3.5. Điều kiện điện từ trường tối ưu cho khối IRMS. .......................... 28
Bảng 3.6. Kết quả phân tích các mẫu chuẩn đối chiếu .................................. 29
Bảng 3.7. Kết quả kiểm tra độ lặp lại và độ chính xác của mẫu chuẩn. ......... 31
Bảng 3.8. Kết quả phân tích mẫu giả. ........................................................... 32
Bảng 3.9. Kết quả δ13CDIC mẫu nước ngầm. ................................................. 32
Bảng 3.10. Kết quả tổng hợp mẫu nước ngầm xã Vân Phúc. ........................ 33


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý hệ khối phổ kế tỷ số đồng vị ............................... 13
Hình 1.2. Quá trình đốt mẫu trong hệ EA .................................................... 15
Hình 3.1. Đường chuẩn tương quan giá trị δ13CCO2 ref ................................... 30
Hình 3.2. Sắc đồ phân tích mẫu chuẩn IAEA-CO 8. ..................................... 30
Hình 3.3. Sắc đồ phân tích mẫu môi trường. ................................................ 31

1

MỞ ĐẦU
1. Nhu cầu và lý do thực hiện đề tài.
Mật độ dân số ngày càng tăng dẫn tới nhu cầu khai thác và sử dụng
nước ngầm ngày càng nhiều. Nhiều nơi, nguồn nước ngầm đang phải đối mặt
với vấn đề ô nhiễm bởi các sản phẩm thải ra trong quá trình sản xuất công,
nông nghiệp và các quá trình giải phóng các chất gây ô nhiễm có trong tự
nhiên hoặc do cấu tạo địa chất đang làm suy giảm trữ lượng đồng thời bị ô
nhiễm nghiêm trọng.
Kỹ thuật đồng vị được coi là tiên tiến và đã được áp dụng rộng rãi trong
vài thập niên gần đây để giải quyết các bài toán liên quan đến nguồn gốc nước
ngầm cũng như nguồn gốc nhiễm bẩn nước ngầm. Kỹ thuật phân tích tỷ số
đồng vị có độ chính xác cao, các phân tích được tiến hành theo phương pháp
so sánh tỷ số đồng vị của mẫu và mẫu chuẩn trong cùng điều kiện phân tích.
Do có độ chính xác cao nên có thể phân biệt được những sai khác rất nhỏ, ví
dụ như hiện tượng phân tách đồng vị của các nguyên tố carbon, nitơ, oxy,…
xảy ra đồng thời với các quá trình biến đổi sinh hóa học trong tự nhiên. Viện
Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân là một đơn vị có tiềm năng về thiết bị cũng
như nhân lực cán bộ khoa học có thể hợp tác với các đơn vị nghiên cứu triển
khai khác trong lĩnh vực môi trường, địa chất thủy văn, tham gia đóng góp
phương pháp luận trong lĩnh vực nghiên cứu ô nhiễm môi trường, nguồn gốc
gây ô nhiễm trong môi trường bằng kỹ thuật đồng vị bền.
Do vậy, “Bước đầu xây dựng quy trình phân tích tỷ số đồng vị
δ13CDIC trong mẫu nước ngầm trên khối phổ kế tỷ số đồng vị” có ý nghĩa
khoa học và thực tế. Hơn nữa, ở nước ta, trên thực tế việc ứng dụng phương
pháp này vẫn còn hạn chế. Do vậy, bước đầu xây dựng nền tảng cho phương


2

pháp ứng dụng kỹ thuật đồng vị của các đồng vị khác nói chung và carbon nói
riêng trong nghiên cứu các vấn đề về môi trường là việc làm cần thiết.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài.
Bước đầu xây dựng được quy trình phân tích tỷ số đồng vị δ13CDIC
trong mẫu nước ngầm trên khối phổ kế tỷ số đồng vị đảm bảo độ chính xác
và độ tin cậy.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
Kết quả của đề tài giúp cho các nhà nghiên cứu sử dụng quy trình để
phân tích δ13C trong các mẫu nước phục vụ nghiên cứu nguồn gốc ô nhiễm
môi trường.
Đưa vào ứng dụng một phương pháp phân tích hiện đại cho mẫu nước
ngầm trên cơ sở kỹ thuật khối phổ kế tỷ số đồng vị EA-IRMS có độ ổn định
tốt và độ tin cậy cao, có khả năng ứng dụng trong thực tế của Việt nam.
4. Đối tượng, phạm vi thực hiện.
− Đối tượng thực hiện: Mẫu nước ngầm tại xã Vân Phúc, huyện Phúc
Thọ, thành phố Hà Nội.
− Phạm vi thực hiện:
+ Về không gian: Phòng Thủy văn đồng vị - Trung tâm Kỹ thuật Hạt
nhân - Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân
+ Về thời gian: Thực hiện chuyên đề từ ngày 19 tháng 01 năm 2015
đến ngày 06 tháng 06 năm 2015
5. Tóm tắt các nội dung nghiên cứu.
− Tổng quan tài liệu: Tổng quan về phương pháp đồng vị δ13C và tình
hình sử dụng tỷ số đồng vị δ13C để nghiên cứu xác định nguồn gốc ô nhiễm
môi trường.


3
− Xây dựng quy trình phân tích
+ Quy trình xử lý mẫu phân tích δ13CDIC trong mẫu nước ngầm: Kết

tủa, lọc rửa kết tủa và làm khô mẫu nước.
+ Thiết lập chương trình xác định δ13CDIC trên thiết bị khối phổ kế tỷ
số đồng vị tại phòng thí nghiệm Thủy văn Đồng vị - Viện Khoa học và Kỹ
thuật Hạt nhân.
− Đánh giá kết quả