Xác định hàm lượng kim loại nặng Cu, Pb, Zn, Cd trong cây sử dụng xử lí nước thải

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP VON – AMPE HÒA TAN ANOT XÁC ĐỊNH
HÀM LƯỢNG KIM LOẠI NẶNG TRONG NƯỚC TRỒNG THỰC VẬT
Nguyễn Thị Thanh Tâm1, Nguyễn Thị Thu Hà2
Khoa Khoa học Tự nhiên
Email:


TÓM TẮT
Trong bài báo này, chúng tôi tiến hành trồng cây năn và cây cói trong điều kiện
nhất định, sau đó lấy mẫu nước ban đầu và mẫu nước sau 8 tuần, 16 tuần. Nồng độ các
ion kim loại nặng Cu2+ , Pb2+ , Zn2+ , Cd2+ Co2+, Ni2+ trong các mẫu nước được xác định
bằng phương pháp Von – Ampe hòa tan anot. Kết quả phân tích cho thấy hàm lượng
kim loại nặng trong nước trồng cây năn và cây cói đều giảm đi đáng kể vì vậy có thể
đưa các cây này vào danh mục thực vật trồng để loại bỏ ô nhiễm các kim loại nặng.
Từ khóa: Kim loại nặng, phương pháp Von – Ampe hòa tan anot, xử lý nước thải,
cây năn, cây cói.

APPICATION OF ANODIC STRIPPING VOLTAMMETRIC METHOD
DETERMINING HEAVY METALS IN THE PLANT WATER
ABSTRACT
In this article, we planted the eleocharis dulcis and cyperus malaccensis in the
certain condition, then water samples are taken after 8 weeks, 16 weeks. The
concentrations of heavy metals such as Cu2+, Pb2+, Zn2+, Cd2+, Ni2+, Co2+ in water
samples were determined by anodic stripping Voltammetric method. The results show
that heavy metals content in plant water is significantly reduced, so it is possible to
place these plants in the plant list to remove heavy metal contamination.
Keywords:Heavy metals, anodic stripping Voltammetric method, contaminated
water treatment, eleocharis dulcis, cyperus malaccensis.


1. MỞ ĐẦU

Hiện nay thế giới đang rung hồi chuông báo động về thực trạng ô nhiễm môi
trường trên toàn cầu. Sự ô nhiễm môi trường làm mất cân bằng sinh thái, làm giảm
tính đa dạng sinh học, tác động xấu đến sức khỏe con người.
Hội nhập với sự phát triển toàn cầu, Việt Nam trong những năm gần đây có
những chuyển biến lớn về kinh tế xã hội, song sự ra đời và phát triển của nhiều ngành
sản xuất công, nông nghiệp, giao thông vận tải, du lịch…cùng với sự gia tăng dân số
và tốc độ đô thị hóa nhanh chóng đã thải vào môi trường một lượng lớn chất thải. Các
chất thải này hầu như chưa xử lý được hoặc xử lý sơ bộ do đó gây ô nhiễm môi
trường, đặc biệt là môi trường nước.
Các nguồn nước thải của các nghành công nghiệp, nước thải trong quá trình
khai mỏ, nước thải phòng thí nghiệm…chứa rất nhiều kim loại độc hại như đồng, chì,
sắt, asen, cadimi…các kim loại này được thải trực tiếp vào cống, rãnh, sông, hồ làm ô
nhiễm nguồn nước mặt, nước ngầm….
Có nhiều phương pháp được đưa vào xử lý kim loại nặng trong nước thải, trong
đó công nghệ xử lý nước thải nhờ hệ thống làm trong nước bằng cây (tên tiếng anh là
Contructed Wetlands) đặc biệt được chú trọng [4], [9]. Trên thế giới đã có nhiều
nghiên cứu về phân tích các kim loại nặng trong thực vật nói chung cũng như các thực
vật sống trong nước như bèo, bèo nhật Bản… Tuy nhiên ở Việt Nam vấn đề nghiên
cứu và sử dụng thực vật để xử lý kim loại nặng trong nước vẫn chưa được quan tâm
chú ý. Mặt khác đối với mỗi phân tích chúng ta cần áp dụng một phương pháp hóa lý
vào việc xác định hàm lượng kim loại nặng một cách khoa học, hiệu quả và kinh tế.
Xuất phát từ những vấn đề trên trong bài báo này chúng tôi ứng dụng phương pháp
Von – ampe hòa tan anot xác định hàm lượng ion kim loại nặng trong nước khi trồng
cây năn và cây cói để xử lý kim loại nặng.
2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
2.1. Phương phápVon-ampe hòa tan xác định hàm lượng ion kim loại[1], [5], [8]
- Nguyên tắc: Về bản chất, phương pháp Von-ampe hòa tan là dựa trên việc đo
cường độ dòng để xác định các chất trong dung dịch. Nguyên tắc gồm 2 bước:
Bước 1: Điện phân làm giàu các chất cần phân tích trên bề mặt điện cực làm
việc trong khoảng thời gian xác định, tại thế điện cực xác định.

Bước 2: Hòa tan kết tủa đã được làm giàu bằng cách phân cực ngược điện cực
làm việc, đo và ghi dòng hòa tan. Trên đường Von-ampe hòa tan cho pic của nguyên tố
cần phân tích. Chiều cao pic tỉ lệ thuận với nồng độ.
- Điện cực dùng trong phân tích von-ampe hòa tan[2]
Trong phương pháp von – ampe hoà tan người ta dùng hệ gồm 3 điện cực
nhúng vào dung dịch chất phân tích:
+ Điện cực làm việc, trên đó xảy ra sự kết tủa và hoà tan chất cần phân tích.
+ Điện cực so sánh, thường là điện cực calomen hoặc bạc clorua. Thế điện cực
không đổi và phải duy trì trong suốt quá trình làm việc.


+ Điện cực phù trợ, thường dùng là một điện cực platin.
2.2. Thực nghiệm
2.2.1. Hóa chất, thiết bị [3][7]
Các dung dịch nồng độ khác nhau của các cation kim loại: đồng, chì, cadimi, kẽm,
niken, coban được pha chế từ các dung dịch chuẩn gốc nồng độ 1000ppm của hãng
Merk, Đức và nước cất hai lần. Dung dịch hóa chất trồng cây được pha theo tỉ lệ nhất
định trong bảng 2.
Việc đo và ghi dòng von - ampe hoà tan được thực hiện trên máy phân tích cực phổ
đa chức năng 757 VA computrace do hãng Metrohm (Thụy Sĩ) sản xuất.
Bảng 2: Dung dịch hóa chất trồng cây
Hóa chất
Nồng độ (mg/l)
Hóa chất
Nồng độ (mg/l)
CaSO4.2H2O
1286,8
MgSO4.7 H2O
24,7
Fe2(SO4)3.6H2O

19,4
KNO3
2,00
Al2(SO4)3.18H2O
47,2
(NH4)2SO4
10,08
NaCl
15,20
KH2PO4
6,80
KBr
0,0097
Pb(NO3)2
1,098
KI
0,0066
ZnSO4. 7 H2O
5,9568
Cd(NO3)2.6 H2O
0,0102
Co(NO3)2.6 H2O
0,0802
CuSO4. 5H2O
0,926
NiSO4. 6 H2O
0,0602
2.2.2. Phương pháp lấy mẫu, xử lí mẫu[3],[4]
Với mục đích nghiên cứu xác định hàm lượng tổng cation Cu2+, Pb2+, Zn2+, Cd2+,
Ni2+, Co2+ trong nước khi sử dụng thực vật để xử lí nước chúng tôi tiến hành trồng cây

và lấy mẫu nước ban đầu khi chưa trồng cây(ban đầu), mẫu nước sau 8 tuần và 16
tuần.
Mô hình trồng cây gồm một côc thủy tinh có thể tích 1 lít, chiều cao h = 20 cm ,
đường kính d = 12 cm (Hình 1, 2). Cho cát vàng sạch vào cốc đến độ cao h ’ = 10 cm.
Cho 800 ml dung dịch đã pha để trồng cây vào trong cốc. Cho dung dịch trồng cây và
theo dõi lượng nước mất đi, cứ sau 8 tuần thì tiến hành lấy mẫu.
Hình 1:Mô hình trồng cây Năn
Hình 2:Mô hình trồng cây Cói


- Phương pháp lấy mẫu:Lượng mẫu lấy phải đảm bảo lượng chất cần phân
tích, phù hợp với phân tích định lượng, đảm bảo giữ nguyên đúng thành phần của đối
tượng thực tế lấy mẫu theo tiêu chuẩn lấy mẫu phân tích.
+ Lấy 100 ml mẫu cho vào cốc
+ Gạn, lọc bỏ cặn bẩn rồi cho vào lọ polyetylen
+ Bảo quản mẫu ở - 200C.
- Quy trình xử lý mẫu: Lọc bỏ cặn và các vật lơ lửng, đo pH. Lấy 50 ml nước đã
lọc axit hóa bằng 1ml HNO3 đặc và cô cạn dung dịch.Thêm 1ml dung dịch H 2O2 rồi
tiếp tục cô cạn sau đó thêm nước cất 2 lần và đun tiếp cho axit bay hơi. Làm như vậy
khoảng 4-5 lần đến khi pH của dung dịch khoảng 3,5-4 thì dừng. Dung dịch thu được
đem đi siêu âm 30 phút. Sau đó định mức chính xác bằng nước cất 2 lần vào bình định
mức 100 ml ta thu được dung dịch phân tích.
+ Lọc bỏ các cặn bẩn ta thu được dung dịch cần phân tích
+ Lấy 1 ml mẫu cho vào bình định mức 20 ml
+ Cho 1 ml KCl 3M, 2 ml đệm axetat 1M, 2 ml NH4Ac 1M, 2 ml Ga 1g/ml
+ Điều chỉnh pH đến 4,6
+ Định mức đến thể tích V = 20 ml
3. KẾT QUẢ
3.1. Khảo sát điều kiện tối ưu và các yếu tố ảnh hưởng tới dòng hòa tan[1], [6]
3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của môi trường phân tích[1], [6]

Khảo sát chọn nền điện li tối ưu:
- Với phép đo xác định đồng thời Cu 2+, Pb2+, Zn2+, Cd2+: kết quả khảo sát cho thấy
hỗn hợp nền gồm KCl + đệm axetat + NH 4Ac + Ga Ip của 4 nguyên tố cao nhất và có
độ lặp tốt nhất. Do đó chúng tôi chọn hỗn hợp nền KCl + đệm axetat + NH 4Ac + Ga để
xác định đồng thời 4 nguyên tố.
- Với phép đo xác định đồng thời 2 nguyên tố Co 2+ và Ni2+kết quả khảo sát cho thấy
ở hỗn hợp nền gồm đệm amoni + KCl + NH4Ac + Đimetylglioxim(DMG) chiều cao
của cả 2 píc đều cao, nhọn, píc cân đối, độ lặp lại của phép đo lớn. Do đó chúng tôi
chọn hỗn hợp nền đệm amoni + KCl + NH4Ac + Đimetylglioxim để xác định đồng
thời Co2+ và Ni2+.
Khảo sát chọn nồng độ nền điện li tối ưu:
- Với phép đo xác định đồng thời Cu 2+, Pb2+, Zn2+, Cd2+: kết quả khảo sát cho thấy

C NH Ac
tại CKCl = 0,15 M, Caxetat = 0,10 M,
tương đối ổn định, độ lặp tốt.

4

= 0,10 M cường độ Ip của cả 4 ion đều


- Với phép đo xác định đồng thời 2 nguyên tố Co 2+ và Ni2+ : kết quả khảo sát cho

C NH Ac
thấy tại Cđệm amoni = 0,025 M, CKCl = 0,025 M,
độ Ip của 2 ion đều tương đối ổn định, độ lặp tốt.

4

=0,075 M, CDMG= 0,01 M cường

3.1.2. Khảo sát các điều kiện kỹ thuyật đo tối ưu[2],[6], [7]
Kết quả khảo sát các điều kiện đo của máy được xác định trong bảng 3, 4.
Bảng 3: Kết quả khảo sát các điều kiện đo xác định Cu2+, Pb2+, Zn2+, Cd2+
Điện cực làm việc
Chế độ đo
Kích thước giọt
Tốc độ khuấy

HMDE

Thời gian làm giàu

90s

DP

Thời gian cân bằng

20 s

4
2000 (v/ph)

Biên độ xung

0,05 V

Thời gian đặt xung

0,04 s

Thời gian đuổi oxi

100 s

Tốc độ quét

Thế điện phân làm giàu

-1,15

Khoảng quét thế

0,015V/s
(-1,15÷ -0,01)

Bảng 4: Kết quả khảo sát các điều kiện đo xác định Co2+, Ni2+
Điện cực làm việc
HMDE
Thời gian làm giàu
90s
Chế độ đo
Kích thước giọt
Tốc độ khuấy

DP

Thời gian cân bằng

4
2000 (v/ph)

15 s

Biên độ xung

0,05 V

Thời gian đặt xung

0,04 s

Thời gian đuổi oxi

300 s

Tốc độ quét

Thế điện phân làm giàu

-0,7V

Khoảng quét thế

0,012V/s
(-0,8÷ -1,25)V

3.2. Kết quả phân tích mẫu

Các mẫu nước sau khi xử lí được tiến hành phân tích theo qui trình phân tích trên
được đo trên máy cực phổ bằng phương pháp thêm chuẩn, mỗi mẫu đo 10 lần, mỗi lần
đo lặp lại 3 lần và lấy giá trị trung bình của 10 lần đo.
Hàm lượng kim loại trong mẫu được tính theo công thức:

0,05.Cm
0,1
Hm=

(mg/l)

Trong đó: Cm : Nồng độ ion trong mẫu đo (mg/l)
Chúng tôi tiến hành phân tích mẫu nước đầu vào M 0 theo quy trình phân tích ở
trên. Kết quả được ghi trong bảng 5.


Lần đo
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

C

(mg/l)
S
S

x

Bảng 5: Kết quả trung bình của mẫu nước đầu vào M0
C(mg/l)
2+
2+
2+
Zn
Cd
Pb
Cu2+
Co2+
0,488
0,00162
0,291
0,115
0,00802
0,486
0,00168
0,283
0,119
0,00851
0,490
0,00160
0,279
0,112

0,00793
0,487
0,00170
0,280
0,118
0,00759
0,494
0,00165
0,286
0,120
0,00810
0,491
0,00162
0,292
0,116
0,00834
0,486
0,00169
0,285
0,123
0,00807
0,487
0,00158
0,280
0,116
0,00763
0,493
0,00164
0,283
0,114

0,00842
0,490
0,00159
0,287
0,121
0,00829
0,00809
0,489
0,00164
0,285
0,117
0,0029
0,00004
0,0045
0,00341
0,00031
0,0009

0,00001

0,00142

0,00108

0,00010

Ni2+
0,00667
0,00615
0,00659

0,00646
0,00599
0,00700
0,00689
0,00678
0,00695
0,00664
0,00661
0,00033
0,00011

Xử lý số liệu theo phương pháp thống kê. Kết quả được ghi trong bảng 6.
Bảng 6: Hàm lượng các ion kim loại trong mẫu nước đầu vào M0
STT
Nguyên tố
Cm (mg/l)
Hm (mg/l)
2+
1
Zn
0,489 ± 0,002
0,978 ± 0,004
2
Cd2+
0,0016 ± 0,0000
0,0032 ± 0,0000
3
Pb2+
0,284 ± 0,00
0,568 ± 0,006

2+
4
Cu
0,117 ± 0,002
0,234 ± 0,004
2+
5
Co
0,0081 ± 0,0002
0,0162 ± 0,0004
2+
6
Ni
0,0066 ± 0,0002
0,0132 ± 0,0005
Đường Von – Ampe( DP - ASV) cho mẫu nước đầu vào được biểu diễn trong hình
3, 4:
Hình 3: Đường DP-ASV xác định
Zn2+, Cd2+, Pb2+, Cu2+ trong mẫu M0

Hình 4: Đường DP-ASV xác định
Co2+, Ni2+ trong mẫu M0


Đường Von – Ampe( DP - ASV) thêm chuẩn mẫu nước đo được khi trồng cây
Năn(N1, N2, N3) và Cói(C1, C2, C3) được biểu diễn từ hình 5 đến hình 12:
Hình 5: Đường DP-ASV xác định Cu2+,
Pb2+, Zn2+, Cd2+ trong mẫu N1

Hình 6: Đường DP –ASV xác định

Co2+, Ni2+ trong mẫu N 1

Hình 7: Đường DP-ASV xác định
Zn2+, Cd2+, Pb2+, Cu2+ trong mẫu N 2

Hình 8: Đường DP –ASV xác định
Co2+, Ni2+ trong mẫu N 2

Hình 9: Đường DP-ASV xác định Cu2+,
Pb2+, Zn2+, Cd2+ trong mẫu C1

Hình 10: Đường DP –ASV xác định
Co2+, Ni2+ trong mẫu C 1


Hình 11: Đường DP-ASV xác định
Zn2+, Cd2+, Pb2+, Cu2+ trong mẫu C 2

Hình 12: Đường DP –ASV xác định
Co2+, Ni2+ trong mẫu C 2

Hàm lượng kim loại trong các mẫu nước theo thời gian được trình bày trong bảng 7.
Bảng 7 : Hàm lượng kim loại trong các mẫu nước theo thời gian
Loạ
i
cây

Năn

Cói

Hàm lượng kim loại nặng (mg/l)
Mẫu
M0
Ban
đầu
8 tuần
(N 1)
16 tuần
(N 2)
8 tuần
(C 1)
16 tuần
(C 2)

Zn2+

Cd2+

Pb2+

Cu2+

Co2+

Ni2+

0,978 ±
0,004

0,0032 ±
0,0000

0,568 ±
0,006

0,234 ±
0,004

0,0162 ±
0,0004

0,0132 ±
0,0005

0,750 ±
0,008
0,482 ±
0,008
0,792 ±
0,015
0,52 ±
0,00

0,000408 ±
0,000010
0,000 ±
0,000
0,0014 ±
0,0000

0,000 ±
0,000

0,464 ±
0,006
0,312 ±
0,007
0,442 ±
0,006
0,282 ±
0,004

0,142 ±
0,003
0,0086 ±
0,0003
0,2800 ±
0,0023
0,074 ±
0,002

0,0102 ±
0,0006
0,0082 ±
0,0002
0,0122 ±
0,0007
0,008 ±
0,000

0,01 ±
0,00
0,0084 ±
0,0005
0,0104 ±
0,0005
0,0082 ±
0,0003

Nhận xét: Qua kết quả trên ta thấy hàm lượng các kim loại trong nước của mô hình
trồng năn và trồng cói đều giảm đáng kể.
Với điều kiện trồng cây năn và trồng cây cói trong nước có chứa Cu 2+, Pb2+,
Cd2+, Co2+, Ni2+, Zn2+ thì hàm lượng các kim loại nói trên được tích lũy theo thời gian
trồng và bộ rễ của cây đóng vai trò quan trọng trong quá trình loại bỏ các kim loại
nặng. Cây tiếp nhận các kim loại nặng như một nguồn chất dinh dưỡng. Thông qua
quá trình tiếp nhận nước của bộ rễ, nồng độ của các ion được cô đặc xung quanh bộ rễ,
khi tích số nồng độ của các ion vượt qua tích số tan thì các ion được kết tủa. Mặt khác
cây tiết ra các chất hữu cơ, chúng đóng vai trò làm nguồn chất khử cho các quá trình
khử Nitrat thành Nitơ bằng vi sinh và khử sunfat thành sunfua. Sunfua được hình
thành sẽ kết tủa với các ion kim loại nặng. Thông qua các quá trình kết tủa, cộng kết,


hấp phụ, trao đổi ion và tiếp nhận kim loại nặng như một nguồn dinh dưỡng của cây,
kim loại nặng được loại bỏ khỏi hệ thống. Ngoài ra bộ rễ còn đóng vai trò lọc sạch
những hạt vô cơ, các chất lơ lửng, các chất dạng keo. Vì vậy hàm lượng kim loại nặng
trong nước giảm nhiều khi xử lý bằng cây nói chung và bằng cây năn, cây cói được
nghiên cứu nói riêng.
4. KẾT LUẬN
Sau một thời gian nghiên cứu tài liệu, tiến hành thực nghiệm và phân tích số liệu,
chúng tôi thu được một số kết quả sau:

- Tìm ra điều kiện tối ưu xác định đồng thời Cu 2+, Pb2+, Zn2+ Cd2+ và xác định Co2+,
Ni2+ bằng phương pháp von-ampe hòa tan.
- Xây dựng quy trình phân tích, xác định đồng thời hàm lượng Cu 2+, Pb2+, Zn2+,
Cd2+ và xác định đồng thời Co2+, Ni2+ ở dạng vết bằng phương pháp von-ampe hòa tan
anot trên điện cực giọt thủy ngân treo với các điều kiện tối ưu của quá trình đo.
- Tiến hành xác định hàm lượng Cu2+, Pb2+, Cd2+, Co2+, Ni2+, Zn2+ trong mẫu nước
của hệ thống xử lý nước thải bằng thực vật bằng phương pháp von-ampe hòa tan theo
phương pháp thêm chuẩn.
Từ kết quả thu được, chúng tôi thấy rằng cây cói và cây năn đều có thể sống tốt
trong môi trường nước thải chứa kim loại nặng (Cu 2+, Pb2+, Cd2+, Zn2+, Co2+, Ni2+) vì
vậy có thể đưa các cây này vào danh mục các cây trồng dùng để loại bỏ ô nhiễm các
kim loại nặng.


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.

Trịnh Xuân Giản, Bùi Đức Hưng, Lê Đức Liêm (2003), Xác định đồng, chì, kẽm,
cadimi trong nước biển bằng phương pháp Von - Ampe hòa tan xung vi phân, Tạp
chí phân tích Hóa, Lý, và Sinh học (T8).

2.

Trần Tứ Hiếu, Từ Vọng Nghi (2003), Các phương pháp phân tích công cụ, Đại
học Khoa học Tự nhiên, ĐH Quốc gia Hà Nội.

3.

Phạm Luận (2005). Giáo trình phân tích môi trường. Đại học quốc gia Hà Nội.

4.

Võ Văn Minh, Võ Châu Tấn (2009), Công nghệ xử lý kim loại nặng trong đất
bằng thực vật - hướng tiếp cận và triển vọng. Trường đại học Sư phạm Đà Nẵng.

5.

Hồ Viết Quý, Nguyễn Tinh Dung (1991), Các phương pháp phân tích lý hóa.
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội.

6.

Trương Văn Thuận, Dương Quang Phùng (2008), Nghiên cứu, xác định đồng
thời, theo dõi theo mùa các kim loại kẽm(II), cadimi(II), chì (II) và đồng (II)
trong nước, bùn, vật lơ lửng ở hồ nuôi cá Đại Tư quận Hoàng Mai- Hà Nội bằng
phương pháp Von - ampe hòa tan anot trên nền đệm amoni axetat. Luận văn thạc
sỹ khoa học Hóa học - Trường Đại học Sư phạm Hà Nội.

7.

Claudia Cosio, E. M. a. C. K. (2004), Hyperaccumulation of Cadmium and Zinc
in Thlaspi caerulescens and Arabidopsis halleri at the Leaf Cellular Level,
Universitat Zurich, Zurich, Switzerland .

8.

Polarographic Analyses, Half wave potentials of metal ion, Application Bulletin
36/2e, pp 2 – 3.

9.

Wood, A. (1995), Constructed Wetlands in Water Pollution Control:
Fundamentals to their Understanding, Water Science and Technology, 32(3), pp.
21-29