Sử dụng thiết bị điện di mao quản xách tay xác định đồng thời thành phần các Cation và Anion trong nước mưa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG 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 NƢỚC MƢA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - Năm 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG 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 NƢỚC MƢA

Chun ngành: Hóa Mơi trƣờng
Mã số: 60440120

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. DƢƠNG HỒNG ANH

Hà Nội - Năm 2015


LỜI CẢM ƠN
Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn TS. Dƣơng Hồng Anh
đã giao đề tài, nhiệt tình hƣớng dẫn cho em trong suốt quá trình em thực hiện
luận văn. Đồng thời em cũng xin chân thành cảm ơn GS. TS. Phạm Hùng Việt đã
tạo mọi điều kiện thuận lợi trong thời gian em làm luận văn tại Trung tâm
CETASD.
Em xin chân thành cảm ơn các cán bộ trong Trung tâm Nghiên cứu Môi
trƣờng và Phát triển Bền vững – Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, đặc biệt là
các anh chị em trong nhóm Điện di mao quản đã giúp đỡ em rất nhiều.
Em xin chân thành cảm ơn các Thầy cô trong Khoa Hóa học, Trƣờng Đại
học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội đặc biệt là PGS. TS. Đỗ
Quang Trung đã cho em những kiến thức quý báu, là nền tảng để em hoàn thành
luận văn.
Luận văn này đƣợc thực hiện trong khuôn khổ đề tài: “NGHIÊN CỨU
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐIỆN DI MAO QUẢN HAI KÊNH LOẠI
XÁCH TAY PHỤC VỤ ĐÁNH GIÁ NHANH CHẤT LƢỢNG NƢỚC TẠI
HIỆN TRƢỜNG”, mã số 13/HĐ-ĐT.13.14/CNMT thuộc Chƣơng trình nghiên
cứu khoa học, ứng dụng và chuyển giao công nghệ phát triển ngành Công nghiệp
Môi trƣờng do Bộ Công thƣơng quản lý, vì vậy em xin trân trọng cảm ơn nguồn
kinh phí của đề tài.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn gia đình, Trƣờng THPT Chuyên Khoa
học Tự nhiên đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ em khi em đi học.
Đỗ Thị Kim Thoa

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU

1

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN

3

1.1.

Lắng đọng khí quyển và pH của nƣớc mƣa

3

1.1.1.

Lắng đọng khí quyển

3

1.1.2.

Hiện tƣợng lắng đọng axit

4

1.2.

Các nguồn gốc gây mƣa axit

6

1.3.

Những yếu tố ảnh hƣởng đến sự hình thành mƣa axit

7

1.4.

1.3.1.

Cƣờng độ phát thải

8

1.3.2.

Thành phần hóa học trong nƣớc mƣa

9

1.3.3.

Hàm lƣợng các chất kiềm trong đất và khơng khí

9

1.3.4.

Điều kiện khí tƣợng thủy văn

Tác động của mƣa axit lên hệ sinh thái

10
10

1.4.1.

Tác động đến hệ sinh thái đất

10

1.4.2.

Tác động đến hệ sinh thái nƣớc

11

1.4.3.

Những tác động khác

12

1.5.

Ơ nhiễm mơi trƣờng khơng khí và lắng đọng axit ở Việt Nam

13

1.6.

Phƣơng pháp phân tích thành phần các ion trong nƣớc mƣa

15

CHƢƠNG 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.

Phƣơng pháp nghiên cứu

18


2.3.1.

Lấy mẫu

2.3.2.

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

18

NO2-, SO42- NH4+, K+, Na+, Ca2+, Mg2+ trong nƣớc
mƣa

19

2.3.2.1. Phƣơng pháp điện di mao quản sử dụng thiết
bị điện di mao quản 2 kênh đi kèm detector độ dẫn

không tiếp xúc

19

2.3.2.2. Phân tích mẫu đối chứng bằng phƣơng pháp
sắc ký ion
2.3.3.

Phƣơng pháp tính xác định hàm lƣợng bicacbonat,
cân bằng ion và đánh giá thành phần nƣớc mƣa

22

2.3.3.1. Hàm lƣợng bicacbonat

22

2.3.3.2. Chỉ số cân bằng ion

22

2.3.3.3. Đánh giá các thành phần nƣớc mƣa

23

CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1.

22

24

Kết quả xác định thành phần nƣớc mƣa lấy tại các trạm quan
trắc

24

3.2.

Đánh giá thành phần các ion trong nƣớc mƣa

39

3.3.

Quá trình axit hóa và trung hịa nƣớc mƣa

44

3.4.

Phân tích tƣơng quan các thành phần trong nƣớc mƣa

46

3.5.

Hệ số làm giàu và đánh giá nguồn gốc các ion trong nƣớc mƣa

46

KẾT LUẬN

49

Tài liệu tham khảo

50


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
C4D

Detector độ dẫn không tiếp xúc

CE

Điện di mao quản

IC

Sắc ký ion

HPLC

Phƣơng pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao

LOD

Giới hạn phát hiện

LOQ

Giới hạn định lƣợng

UV-Vis

Phƣơng 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 q trình wash–out của các hợp
chất chứa lƣu huỳnh và nitơ

Bảng 1.2.

Phân loại các trận mƣa theo đặc tính pH (%)

Bảng 2.1.

Thơng số vận hành của hệ điện di mao quản tự động
xách tay 2 kênh

Bảng 2.2.

8
14

20

LOD và LOQ của phƣơng pháp điện di mao quản sử
dụng điện cực đo độ dẫn khơng tiếp xúc cho phân tích
các cation và anion trong nƣớc mƣa

21

Bảng 3.1.

Thời gian lƣu của các ion

24

Bảng 3.2a.

Kết quả phân tích các anion clorua, nitrat và sunfat
trong nƣớc mƣa bằng phƣơng pháp CE và đối chứng

bằng phƣơng pháp IC

Bảng 3.2b.

Kết quả phân tích nitrit trong nƣớc mƣa bằng phƣơng
pháp CE và đối chứng bằng phƣơng pháp IC

Bảng 3.3a.

30

30

Kết quả phân tích các cation amoni, kali và natri trong
nƣớc mƣa bằng phƣơng pháp CE và đối chứng bằng
phƣơng pháp IC

Bảng 3.3b.

33

Kết quả phân tích các cation canxi và magie trong nƣớc
mƣa bằng phƣơng pháp CE và đối chứng bằng phƣơng
pháp IC

Bảng 3.4.

Kết quả đo pH và thành phần các anion, cation cơ bản
trong nƣớc mƣa

Bảng 3.5.

35

40

Tổng nồng độ anion, cation cơ bản trong nƣớc mƣa và
chỉ số cân bằng ion

41


Bảng 3.6.

So sánh thành phần hóa học của nƣớc mƣa (EqL-1) tại
một số khu vực trên thế giới

Bảng 3.7.

43

Hệ số làm giàu liên quan tới nguồn biển hoặc đất đối
với các thành phần nƣớc mƣa tại khu vực nghiên cứu ở
miền Bắc Việt Nam 2015

Bảng 3.8.

47

Các nguồn đóng góp vào những thành phần chính của

nƣớc mƣa tại khu vực nghiên cứu ở miền Bắc Việt Nam
2015

48


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1.

Sơ đồ q trình tạo mƣa 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 đƣờng chuẩn định lƣợng phân tích anion và cation
trong mẫu nƣớc

Hình 3.4.

Hình 3.9.

37

Phần trăm đóng góp của các ion trong thành phần nƣớc
mƣa

Hình 3.8.

32

Tƣơng quan kết quả nồng độ các cation giữa phƣơng
pháp CE và IC

Hình 3.7.

29

Tƣơng quan kết quả nồng độ các anion giữa phƣơng
pháp CE và IC

Hình 3.6.

28

Điện di đồ phân tích mẫu nƣớc mƣa M3-19 sử dụng hệ
thiết bị điện di mao quản 2 kênh

Hình 3.5.

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 tƣợng lắng đọng axit bao hàm cho tất cả các loại giáng thủy: mƣa,
tuyết, mƣa tuyết, mƣa đá, sƣơng mù…mà bản chất mang tính axit. Bản chất của
nƣớc mƣa thơng thƣờng mang tính axit yếu do CO2 của khơng khí hịa tan trong
nƣớc, nƣớc mƣa tinh khiết thƣờng có độ pH khoảng 5,6 – 5,7 [3]. Tuy nhiên
thành phần hóa học và pH của nƣớc mƣa thƣờng bị biến đổi do khi rơi xuống mặt
đất đã mang theo một lƣợng các chất vết khí và hạt bị rửa trơi (wash out) từ khí
quyển. Giá trị pH nƣớc mƣa là một chỉ tiêu rất quan trọng trong việc đánh giá
mức độ ơ nhiễm mơi trƣờng nói chung và mức độ ơ nhiễm khơng khí nói riêng.
Lắng đọng axit lần đầu tiên đƣợc 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 cơng
nghiệp hóa và hiện đại hóa, rất nhiều các tổ chức thế giới đã đƣợc thành lập và
đƣa ra các dự án nghiên cứu về hiện tƣợng lắng đọng axit. Các nhà khoa học đã
chứng minh đƣợc rằng các chất gây ô nhiễm không chỉ ảnh hƣởng đến chất

lƣợng không khí, đất, nƣớc của khu vực có nguồn phát thải mà nó cịn đƣợc vận
chuyển xa đến các vùng khác theo dịng ln chuyển khơng khí có khi vƣợt biển
xun biên giới sang các nƣớc khác. Do đây là một vấn đề quan trọng không phải
chỉ là của các nƣớc có nguồn phát thải lớn mà của cả các nƣớc xung quanh khu
vực. Hiện tƣợng lắng đọng axit gần đây đã đƣợc ghi nhận đáng kể ở một số nƣớc
nhƣ Trung Quốc, Nhật Bản, Ấn Độ.
Thành phần hóa học của lắng động axit, đặc biệt là nƣớc mƣa có tầm quan
trọng lớn để có thể đánh giá đƣợc mức độ ơ nhiễm khơng khí vì đây là mơi
trƣờng tiếp nhận các chất vết khí và hạt tan. Do vậy, hóa học nƣớc mƣa đã đƣợc
nghiên cứu từ những năm 70 ở một vài nƣớc phát triển trên thế giới và trở thành
một trong những vấn đề môi trƣờng quan trọng.

1


Nghiên cứu này đƣợc thực hiện với nội dung thu thập các mẫu nƣớc mƣa
lấy tại các trạm quan trắc khu vực miền Bắc, phân tích thành phần hóa học: các
anion, cation chính trong mẫu nƣớc mƣa sử dụng thiết bị điện di mao quản xách
tay loại 2 kênh. Nghiên cứu có mục tiêu:
-

Đánh giá thành phần hóa học, xác định ảnh hƣởng của các ion này đến
mức độ axit của nƣớc mƣa, 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 mơi trƣờng nƣớc.

2


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1. Lắng đọng khí quyển và pH của nƣớc mƣa [3,4]
1.1.1. Lắng đọng khí quyển
Các chất vết trong khí quyển có nồng độ ln biến đổi theo thời gian và
khơng gian. Thời gian lƣu của chúng có thể một vài giờ, môt vài tuần hoặc một
vài năm. Q trình loại bỏ các chất vết này trong khí quyển hay nói cách khác là
q trình chúng đƣợc chuyển từ bầu khí quyển đến bề mặt trái đất đƣợc gọi là sự
lắng đọng khí quyển. Sự lắng đọng này đƣợc chia làm hai loại: lắng đọng khô và
lắng đọng ƣớt.
 Lắng đọng khô: Là sự chuyển dịch của các chất vết khí và hạt dƣới thời
tiết khơ tới bề mặt của vật hấp thụ (đất, hệ thực vật và các bề mặt nƣớc)
 Lắng đọng ƣớt: Là quá trình vận chuyển, chuyển hóa hóa học của các
thành phần khí và hạt tới bề mặt trái đất dƣới các hình thức khác nhau nhƣ mƣa,
tuyết, sƣơng mù. Quá trình này rất quan trọng vì các thành phần lý hóa học sau
này của lắng đọng ƣớt phần lớn phụ thuộc vào q trình này. Q trình lắng đọng
ƣớt có thể xảy ra theo hai cơ chế:
Các vết ở thể khí và hạt đƣợc sát nhập vào các đám mây nhỏ, chúng có thể
khơng tan hoặc bị hịa tan trong nƣớc mây. Sau khi bị hấp thụ các chất có thể
tham gia vào các phản ứng hóa học khơng thuận nghịch và các thành phần khác
trong pha lỏng. Chuyển hóa kiểu này thƣờng xảy ra đối với các chất nhƣ SO2,
NOx chúng có thể bị chuyển hóa khơng thuận nghịch tạo thành axit hoặc muối,
quá trình này đƣợc gọi là Rain – out. Các vật chất đƣợc hấp thụ trong mây đi
theo lắng đọng ƣớt rơi xuống mặt đất và bị loại bỏ khỏi khí quyển.
Các chất vết dƣới tầng đám mây bị bắt giữ vào lắng đọng ƣớt nhờ có sự
đơng tụ trọng trƣờng do sự khác nhau giữa tốc độ rơi của hạt trong khơng khí và
hạt lắng đọng ƣớt.

3


Q trình chuyển dịch ƣớt của các chất vết khí và hạt bằng sự rơi của lắng
đọng ƣớt dƣới tầng đám mây đƣợc gọi là Wash – out. Quá trình làm sạch khí
quyển này là rất quan trọng, nhất là những vùng có khơng khí bị ơ nhiễm.
Nhƣ vậy thành phần hóa học của lắng đọng ƣớt chịu ảnh hƣởng của các
thành phần trong khí quyển. Hiện nay ngƣời ta đang nghiên cứu xác định mối
quan hệ định lƣợng giữa nồng độ một chất trong khí quyển và trong nƣớc mƣa
nhƣ một hàm số của các điều kiện khí quyển.
1.1.2. Hiện tượng lắng đọng axit
Độ pH của nƣớc mƣa bằng 5,6 ở nhiệt độ 10o C là một giá trị đƣợc xem là
một giá trị lý tƣởng, tính cho nƣớc ngun chất cân bằng với nồng độ CO2 trong
khơng khí. Các chất có nguồn gốc tự nhiên có cơ chế phát sinh và tiêu thụ ở thể
cân bằng và tƣơng đối. Chu kỳ vận chuyển của các chất trong thành phần khơng
khí, đất và nƣớc trong tự nhiên là tƣơng đối ổn định. Giá trị pH của nƣớc mƣa tự
nhiên dao động trong khoảng 5 – 7 đƣợc coi là ở mức độ bình thƣờng.
Nhƣng con ngƣời trong quá trình cải tạo tự nhiên và trong các hoạt động
của mình đã có những tác động vào mơi trƣờng gây sự mất ổn định của các chu
kỳ vật chất, làm thay đổi thành phần hóa học của đất, nƣớc và đặc biệt là khí.
Nồng độ của các chất khí nhƣ NOx, SO2, NH3, hợp chất hữu cơ (CH3COO-,
HCOO- …), bụi trong khí quyển… vƣợt quá xa những giá trị của tự nhiên, làm
cho pH của sự lắng đọng khí quyển thay đổi (lớn hơn 6 hoặc nhỏ hơn 5), gây ra
những hậu quả nghiêm trọng và phức tạp.
Nƣớc mƣa có pH < 5 đã đƣợc ghi nhận ở nhiều vùng trên thế giới nhƣ Tây
Âu, Bắc Mỹ, Trung Quốc, Nhật Bản … gây thiệt hại lớn về kinh tế và các cơng
trình văn hóa.
Hình dƣới đây mơ tả một cách đầy đủ sự hình thành mƣa axit từ các khí có
trong thiên nhiên cũng nhƣ từ các quá trình hoạt động của con ngƣời gây ra.

4


Hình 1.1.
Sơ đồ quá trình tạo mƣa axit
Quá trình này diễn ra theo các phản ứng hoá học:
a. Lƣu 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 mƣa axit
1.2. Các nguồn gốc gây mƣa axit
Sự có mặt của SO2 và NOx với hàm lƣợng lớn trong khí quyển (vƣợt quá
giới hạn cho phép) đang đƣợc coi là ngun nhân chính gây ra mƣa axit. Ngồi
ra các thành phần khác nhƣ NH3, Cl2, CO2… cũng góp phần quyết định tính axit
của nƣớc mƣa. Các khí này một phần đƣợc sinh ra trong tự nhiên còn phần lớn là
phát thải từ các hoạt động của con ngƣời. Các axit H2SO4, HNO3 đƣợc sinh ra
trong khí quyển từ các tiền chất SO2 và NOx là nguyên nhân chính làm giảm pH
của nƣớc mƣa. Thơng thƣờng nƣớc mƣa có tính axit cao đƣợc tìm thấy ở những
vùng bị ảnh hƣởng bởi hoạt động của con ngƣời.
Trong tự nhiên khí SO2 có thể đƣợc sinh ra từ q trình hoạt động của núi

lửa. Đồng thời các lớp rong tảo dƣới biển cũng tích tụ một lƣợng rất lớn các hợp
chất sunfua, khí hydrosunfua nên cũng là một trong những nguồn tự nhiên sản
sinh ra khí SO2. Một số nghiên cứu của UNEP cho thấy rằng khí SO2 đƣợc phát
thải từ các nguồn tự nhiên chiếm khoảng một nửa SO2 trong khí quyển lƣợng này
khơng tăng lên khi mà sunfua trong tự nhiên đƣợc tái tạo và sử dụng theo các cơ
chế khác nhau.
Trong tự nhiên khí NOx đƣợc giải phóng từ đất thông qua hoạt động của vi
khuẩn và đƣợc tạo thành trong khơng khí khi có sét. Do sự phân tán khí trong tự
nhiên nồng độ của chúng đƣợc pha lỗng và tác động rất ít tới nồng độ trong
khơng khí ở những vùng riêng biệt.
Phần lớn khí SO2 và NOx do con ngƣời phát thải vào khơng khí đƣợc tạo ra
trong quá trình đốt nhiên liệu. Chủ yếu là dầu thơ, xăng, than đá, khí đốt và các
sản phẩm dầu mỏ khác. Một lƣợng nhỏ SO2 đƣợc tạo thành trong q trình đốt
quặng có chứa lƣu huỳnh và lƣu huỳnh nguyên tố để sản xuất axit sunfuric
(H2SO4) hoặc do các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình đốt hoặc chƣng cất
các hợp chất hữu cơ trong cơng nghệ sản xuất giấy. Khí SO2, SO3, H2SO4 (ở
dạng mù) thƣờng thấy trong thành phần của khí lị ở nhiệt độ cao. Một trong

6


những nguồn đóng góp chính vào việc thải NOx là ống xả của các phƣơng tiện
giao thông. Trong số bảy oxit nitơ (N2O, NO, N2O3, N2O4, NO2, NO3, N2O5) chỉ
có NO và NO2 đƣợc tăng lên từ nhiều hoạt động của con ngƣời và đƣợc coi là
chất gây ô nhiễm. Trong các đánh giá chất lƣợng môi trƣờng chúng thƣờng đƣợc
báo cáo là tổng oxit nitơ hoặc NOx. Quá trình điều tra cho thấy năm 1998 số
lƣợng ô tô trên toàn cầu vƣợt quá 400 tỷ, hơn 1,5 tỷ phƣơng tiện giao thông ngày
nay là ở trên đƣờng, nhiều hơn 10 lần so với 1950. Đặc biệt nguy hại hơn ở các
nƣớc nghèo, kém phát triển các phƣơng tiện giao thông thƣờng là cũ đƣợc khôi
phục lại và sửa chữa lại, chạy quá tải và bảo dƣỡng kém. Sự đốt cũng oxi hóa cả

các hợp chất chứa nitơ trong nhiên liệu và một phần nitơ tự nhiên tồn tại trong
không khí tạo thành ơxit nitơ.
Theo điều tra của UNEP khoảng 75% NOx do con ngƣời sinh ra là do sự
phát thải của các phƣơng tiện giao thông và đốt nhiên liệu than đá trong các lò
năng lƣợng và 30% đến 40% từ các nhà máy điện có sử dụng than đá. Ngồi ra
lƣợng nhỏ NOx cịn đƣợc sinh ra từ các nơi sản xuất axit nitric (HNO3) hoặc là
việc sử dụng các phản ứng hóa học. Nhƣ vậy, những nguồn gây ơ nhiễm khơng
khí chính là các ngành cơng nghiệp, nhiên liệu dùng trong sinh hoạt và các
phƣơng 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 H2SO4 hoặc HNO3.
Những nguồn khác đƣợc tạo ra do hoạt động núi lửa. Việc đốt than cũng sinh ra
lƣợng HCl đáng kể. Clo tồn tại trong than dƣới dạng clorua kim loại tan đƣợc và
chủ yếu dƣới dạng natriclorua (NaCl) nhƣng cũng có những dạng muối khác nhƣ
CaCl2, MgCl2… Nguồn chủ yếu khác là đốt chất thải. Clorua tồn tại trong chất
thải dƣới dạng muối trong rau và dƣới dạng PVC.
1.3. Những yếu tố ảnh hƣởng đến sự hình thành mƣa axit [3]
Hiện nay ngƣời ta đang quan tâm tới hai đối tƣợng quan trọng nhất đƣợc coi
là nguyên nhân gây ra mƣa axit là khí SO2 và NOx. Cƣờng độ phát thải các chất

7


gây ơ nhiễm mơi trƣờng nói chung và khí SO2, NOx nói riêng càng tăng thì khả
năng gây mƣa axit càng lớn.
Tuy nhiên, hiện tƣợng lắng đọng axit còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác
nhƣ: tổng các chất bụi lơ lửng và khả năng đệm của khơng khí, hàm lƣợng chất
kiềm ở trong đất và các điều kiện khí tƣợng thủy văn.
1.3.1. Cường độ phát thải
Cƣờng độ phát thải là nhân tố quan trọng nhất ảnh hƣởng tới chất lƣợng

nƣớc mƣa. Các nhà nghiên cứu trên thế giới đang nghiên cứu các mơ hình tính
tốn cƣờng độ phát thải khí SO2, NOx cho mỗi vùng kinh tế dựa trên mức độ sử
dụng nhiên liệu, hàm lƣợng các chất chứa nitơ, lƣu huỳnh trong nhiên liệu.
Những vùng có tốc độ đơ thị hóa, cơng nghiệp hóa càng cao thì có sự phát
thải các chất gây ô nhiễm càng lớn. Những vùng đó có tiềm năng gây mƣa axit.
Mức độ bị axit hóa của mỗi vùng đƣợc nhận biết dựa trên độ nhậy cảm của đất,
nƣớc và đƣợc gọi là nơi có nhiều nhạy cảm với axit.
Bảng 1.1 Tốc độ chuyển hóa và q trình wash–out của các hợp chất chứa
lƣu huỳnh và nitơ

Ơxi hóa

SO2

0,027

37

Wash-out bằng mƣa

0,01

100

Hấp thụ trên bề mặt

0,095

70

Loại bỏ tồn phần khỏi khí
quyển

0,052

19

0,03

33

Wash-out bằng mƣa

0,0125

80

Hấp thụ trên bề mặt

0,005

200

0,0475

21

Trung hịa
Axit
Sunfuric

H2SO4

Thời gian lƣu T
(giờ)

Hệ số
K/giờ

Q trình

Hợp chất

Loại bỏ tồn phần khỏi khí
quyển

8


SO42-

Wash-out bằng mƣa

0,0125

Hấp thụ trên bề mặt

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

Wash-out bằng mƣa

0,01

100

Hấp thụ trên bề mặt

0,01

100

Loại bỏ toàn phần

0,165

6,1

Trung hịa

0,035

30

Wash-out bằng mƣa

0,0125

80

Hấp thụ trên bề mặt

0,015

70

Loại bỏ tồn phần

0,065

16

Chuyển hóa hóa học
Ơxit hóa

Nitơ điơxít

Thời gian lƣu T
(giờ)

Hệ số
K/giờ

Q trình

Hợp chất

HNO3

Tƣơng tác với vật chất hữu cơ

1.3.2. Thành phần hóa học trong nước mưa
Thành phần hóa học trong nƣớc mƣa quyết định độ pH của nƣớc mƣa. Độ

axit của nƣớc mƣa không chỉ phụ thuộc thuần túy vào các ion axit (NO3- , SO42-)
mà còn phụ thuộc vào khả năng trung hòa axit của các ion kiềm. Độ axit của
nƣớc mƣa giảm đáng kể khi trong nƣớc mƣa có nhiều ion kiềm nhƣ: Ca2+, Mg2+,
NH4+.
1.3.3. Hàm lượng các chất kiềm trong đất và khơng khí
Ngƣời ta thấy rằng 30% đến 70% các chất trên khơng trung có nguồn gốc từ
trái đất. Các thành phần này có mặt trong nƣớc mƣa thơng qua các q trình nhƣ
rửa trơi và hấp thụ. Những vùng đất có hàm lƣợng các nguyên tố canxi và natri

9


thấp là những vùng có tiềm năng nhậy cảm với axit. Vì vậy thành phần hóa học
của khơng khí và những tác động của nó lên tính axit của nƣớc mƣa có thể đƣợc
xác định rộng hơn bằng việc phân tích tính chất của đất.
1.3.4. Điều kiện khí tượng thủy văn
Các điều kiện khí tƣợng thủy văn ảnh hƣởng đến tính axit của nƣớc mƣa
thơng qua những tác động tới mức độ xảy ra các phản ứng hóa học, mức độ phân
tán, lƣu chuyển và sự lắng đọng của các chất ơ nhiễm trong khơng khí.
Những thơng số khí tƣợng quan trọng là: tốc độ và hƣớng gió, nhiệt độ, tính
ổn định của khơng khí, chiều cao hịa trộn, lƣợng mƣa, độ ẩm và bức xạ mặt trời.
Việc nghiên cứu sâu các nhân tố ảnh hƣởng đến lắng đọng axit là cơ sở dự
đoán xu hƣớng của mƣa axit ở mỗi vùng. Từ đó đƣa ra các giải pháp hiệu quả
nhằm hạn chế các hậu quả do mƣa axit gây ra.
1.4. Tác động của mƣa axit lên hệ sinh thái
Hiện tƣợng mƣa axit hay lắng đọng axit đã đƣợc ghi nhận rất nhiều nơi trên
thế giới. Nó là vấn đề nguy hiểm đe dọa tới môi trƣờng sống của con ngƣời. Nó
có thể gây ra các tác động lên hệ sinh thái đất nƣớc vật chất và sức khỏe con
ngƣời.
1.4.1. Tác động đến hệ sinh thái đất

Sự lắng đọng axit làm thay đổi cân bằng tự nhiên của đất và thay đổi thành
phần hóa học của đất. Nƣớc mƣa có pH thấp làm tăng khả năng hòa tan của các
muối ion kim loại nặng, độc. Những chất gây ô nhiễm trong khơng khí cũng
đƣợc rửa trơi xuống bề mặt trái đất và chúng đƣợc tích lũy dần trong đất. Mƣa
axit hịa tan các chất khống trong đất, những ion kim loại mới đƣợc giải phóng
sẽ chiếm chỗ của các ion kim loaik kiềm Ca2+, Mg2+, K+ từ đất làm đất bị sói
mịn, 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 q 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

10


tái tạo lại các chất dinh dƣỡng mà cây đã lấy đi từ đất. Nếu đất bị axit hóa sẽ mất
đi toàn bộ màu mỡ, ảnh hƣởng đến sự tăng trƣởng của cây.
Mƣa axit cịn có khả năng phá hủy hệ thực vật, các khu rừng rộng lớn. Các
nhà khoa học cho rằng mƣa axit đã phá hủy lớp bảo vệ lá và axit đã ngấm vào
bên trong làm cho cây không thở đƣợc. Điều này làm ngừng sự chuyển hóa các
chất dinh dƣỡng và nƣớc vào cây do đó cây sinh trƣởng 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 đƣợc giải phóng do nƣớc pH thấp có thể phá hủy hệ thống rễ cây.
Những tác động đó khơng những ảnh hƣởng đến năng suất mùa màng mà còn
ảnh hƣởng đến chất lƣợng sản phẩm.
1.4.2. Tác động đến hệ sinh thái nước
1. Tác động lên nƣớc bề mặt
Mƣa axit gây axit hóa nƣớc sơng, suối, hồ, ao, vịnh... Các ion kim loại có
tính độc cao nhƣ Zn, Ni, Pb, Al, Hg đƣợc hòa tan và rửa trơi từ khơng khí và từ
đất bởi nƣớc có pH thấp sẽ đƣợc tích tụ trong các sơng, hồ. Ngƣời ta thấy rằng
nồng độ của chúng trong nƣớc bề mặt phụ thuộc vào pH nƣớc mƣa 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
Khi nồng độ của các kim loại này cao sẽ gây độc cho các sinh vật sống dƣới
nƣớc gây ô nhiễm nguồn nƣớc.
2. Tác động tới động thực vật sống dƣới nƣớc
Độ axit trong nƣớc tăng là một trong những nguyên nhân làm cho cá và các
lồi khác trong nƣớc khơng thể kéo dài cuộc sống. Các loài thủy thực vật sinh
trƣởng ở pH 7,0 – 9,2 khi pH giảm chúng sẽ bị mất dần. Ở pH = 6 các vi khuẩn

11


phân hủy sống ở tầng đáy bắt đầu chết để lại các xác động vật, thực vật không
phân hủy chúng sẽ bị chất đống dƣới đáy, do đó phần thức ăn cơ bản của sinh vật
tầng đáy khơng cịn và dĩ nhiên chúng sẽ bị biến mất.
Ngƣời ta thấy rằng pH thấp hơn khoảng 5,5 sự sinh sản ở nhiều lồi cá
khơng xảy ra và ở pH < 4,5 tất cả các loài cá đều chết. Đặc biệt cá hồi rất nhạy
cảm với pH thấp.
Nhƣ 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
dƣới nƣớc và cũng là một trong những nguyên nhân của một số loài động thực
vật dƣới nƣớc bị diệt chủng.
3. Tác động lên nƣớc ngầm
Mƣa axit làm giảm chất lƣợng nƣớc ngầm đã đƣợc nghiên cứu ở một số nơi
trên thế giới. Mƣa axit làm pH của nƣớc ngầm thấp, dẫn đến nồng độ của các ion
kim loại nặng và các chất độc trong nƣớc tăng (do đƣợc giải phóng từ đất, đá và
ống dẫn). Do đó nƣớc này khi đƣợc sử dụng cho sinh hoạt sẽ có độc tính cao.
1.4.3. Những tác động khác
Ảnh hƣởng nghiêm trọng của mƣa axit còn thể hiện ở chỗ làm tăng khả

năng gây độc của các chất gây ơ nhiễm. Các tác động gây axit hóa đất và nguồn
nƣớc đều có tác hại đến động vật và ảnh hƣởng đến sức khỏe của con ngƣời. Một
số kim loại độc (Ví dụ: Pb) đƣợc giải phóng trong đất và nƣớc do mƣa có pH
thấp có khả năng tích tụ dần trong thực vật, động vật gây ngộ độc và bệnh tật
cho con ngƣời 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 nhƣ:
Bệnh cúm, ảnh hƣởng đến q trình hơ hấp, kích ứng phổi và gây viêm phế quản,
viêm phổi, làm tăng tình trạng các bệnh hen, tim... Ngồi ra mƣa axit cịn phá
hủy những cơng trình xây dựng. Vì mƣa axit có thể ăn mịn các vật liệu làm bằng
sắt, thép, kim loại và đá, phá hủy kết cấu của các bức tƣờng… gây thiệt hại đáng
kể về kinh tế và văn hóa.

12


Tuy nhiên mức độ ảnh hƣởng của mƣa axit ở mỗi vùng là khác nhau nó phụ
thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ: Các thơng số về khí tƣợng, thành phần hóa học của
nƣớc mƣa, sự nhạy cảm của hệ sinh thái và khả năng đệm của từng vùng. Một số
ion kim loại cịn có khả năng tích tụ dần trong một số lồi thực vật và tiếp tục
tích tụ trong động vật và ngƣời nếu ăn phải chúng (Pb là ngun 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 cơng trình nghiên
cứu để làm sáng tỏ hơn về các quá trình trong khí quyển, các q trình chuyển
đổi trong đất, những biến đổi động, thực vật, những thay đổi về hóa nƣớc mặt, sự
thay đổi của vật chất, những ảnh hƣởng về sinh lý học là các hậu quả của mƣa
axit.
1.5. Ơ nhiễm mơi trƣờng khơng khí và lắng đọng axit ở Việt Nam [1,4]
Cũng nhƣ các nƣớc phát triển khác trên thế giới Việt Nam đang trên con
đƣờng tiến tới một đất nƣớc cơng nghiệp hóa và hiện đại hóa. Trong 10 năm trở
lại đây hàng loạt các nhà máy xí nghiệp đƣợc nâng cấp và mở rộng, nhiều nhà

máy mới đƣợc 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 ơ nhiễm mơi
trƣờng trong đó có ơ nhiễm khơng khí và nƣớc nếu nhƣ chúng ta khơng kiểm
sốt chặt chẽ.
Mặt khác về mặt địa lý Việt Nam nằm trong vùng Châu Á nơi mà hiện nay
đang đƣợc coi là khu vực đang phát triển nhanh nhất trên thề giới, đồng thời lại
có đƣờng 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 lƣợng khơng khí là rất
cần thiết và phải đƣợc thực hiện thƣờng xuyên và mang tính chất hệ thống. Các
số liệu về thành phần hóa học nƣớc mƣa có một ý nghĩa khoa học rất to lớn, giúp
chúng ta đánh giá đƣợc mức độ ơ nhiễm mơi trƣờng và tìm ra nguồn gốc gây ô
nhiễm.

13


Việt Nam đã bắt đầu chú ý đến đánh giá chất lƣợng nƣớc mƣa bắt nguồn từ
những năm cuối thập kỷ 70. Các trạm lấy mẫu chủ yếu dựa trên mạng lƣới trạm
khí tƣợng thủy văn cho mãi tới năm 1992 mạng lƣới hóa nƣớc mƣa theo quy
hoạch mới đƣợc Tổng cục Khí tƣợng Thủy văn xét duyệt và đƣa vào chính thức
hoạt động. Mạng lƣới bao gồm 32 trạm, chủ yếu đặt trong các trạm khí tƣợng
thủy văn trong phạm vi tồn lãnh thổ. Mục đích của các trạm này là điều tra cơ
bản về chất lƣợng môi trƣờng, khơng khí thơng qua thành phần hóa học nƣớc
mƣa.
Các số liệu pH của nƣớc mƣa của các vùng phía Bắc năm 2013, 2014 dƣới
đây đƣợc thu thập từ phòng Tài nguyên môi trƣờng – Trung tâm mạng lƣới Quốc
gia – Trung tâm khí tƣợng thủy văn. Kết quả đo độ pH nƣớc mƣa hàng tháng của
các năm đƣợc tóm tắt trong bảng (1.1)
Bảng 1.2. Phân loại các trận mƣa theo đặc tính pH (%)
Năm 2013

0

Trung
tính
pH >
5,6-6
27,3

Vinh

33,3

58,3

28,3

30

70

0

Cúc Phƣơng
Hải dƣơng
MT Hà nội
Ninh Bình
TV&MT Hà
nội
Bắc giang

16,7
0
0
0
0

16,7
50
50
8,4
33,3

64,7
50
50
91,6
66,7

20
20
0
0
0

60
60
50
40
44,5

20
20
50
60
55,5

16,7

41,7

41,7

22,2

44,4

33,6

Bãi cháy
Phủ liễu
Thái ngun
Việt trì

0
8,4
18,2
0

50

50
54,5
75

50
41,7
27,2
25

0
0
0
0

50
44,5
77,8
55,5

50
55,5
22,2
44,5

Khu
vực

Bắc
trung
bộ

Đơng
bắc bộ

Đơng
bắc
Việt
bắc

Năm 2014

Trạm

Thanh hóa

Axit
pH
<5,6

14

Kiềm
pH >
6

Axit
pH
<5,6

72,7

0

Trung
tính
pH >
5,6-6
33,3

Kiềm
pH > 6
66,7


Từ kết quả phân tích thành phần của nƣớc mƣa hàng tháng đã cho thấy ở
các vùng đã thỉnh thoảng xuất hiện các trận mƣa có pH thấp (pH<5). Từ đó cần
phải kiểm tra chặt chẽ về pH và thành phần hóa học nƣớc mƣa tìm ra những
nguồn gốc gây ô nhiễm. Góp phần quan trọng trong việc đánh giá chất lƣợng
khơng khí nói riêng và mơi trƣờng nói chung.
1.6. Phƣơng pháp phân tích thành phần các ion trong nƣớc mƣa
Các ion vơ cơ chính có mặt trong thành phần nƣớc mƣa là: HCO3-, Cl-,
NO3-, NO2-, SO42- NH4+, K+, Na+, Ca2+, Mg2+. Ngồi bicacbonat đƣợc phân tích
bằng phƣơng pháp chuẩn độ, hàm lƣợng các ion khác có thể xác định bằng nhiều
phƣơng pháp nhƣ sắc ký, đo quang, điện hóa. Với khoảng nồng độ của các ion
trong nƣớc mƣa, hai phƣơng pháp phổ biến hiện nay đƣợc dùng để đo hàm lƣợng
các ion đơn giản trong nƣớc là quang phổ hấp thụ phân tử (UV-Vis) và sắc ký
ion (IC).
Đối với phƣơng pháp UV-Vis, phƣơng pháp này tƣơng đối đơn giản ít tốn
kém, có thể thực hiện ở hiện trƣờng. Tuy nhiên, hạn chế của phƣơng pháp là
khơng thể phân tích đồng thời nhiều ion. Mỗi ion địi hỏi q trình chuẩn bị mẫu

cũng nhƣ dựng đƣờng chuẩn khác nhau. Các bộ kit UV hiện trƣờng của các hãng
nhƣ Merck, Hach tuy đã đơn giản hóa quy trình hơn rất nhiều nhƣng lại địi hỏi
chi phí lớn cho hóa chất tiêu hao. Phƣơng pháp sắc sắc ký ion [5] là một phƣơng
pháp ƣu 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 tƣ ban
đầu cho hệ thiết bị lớn. Quan trọng hơn, hệ thiết bị sắc ký lỏng hiệu năng cao
(HPLC) thƣờng đòi hỏi điều kiện chạy nhƣ 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 phịng thí nghiệm và khó có thể đƣa ra hiện trƣờng hay lắp đặt tại các
trạm quan sát.
Những năm gần đây, phƣơng 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 tƣơng đối đơn giản, có
thể sử dụng nguồn điện ắc quy (hoặc sử dụng pin) phù hợp với phân tích hiện
trƣờng. Bên cạnh các ƣu điểm kể trên, hệ thiết bị CE chế tạo trong nƣớc có chi
phí thấp, địi hỏi lƣợng 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
nƣớc mơi trƣờng tại hiện trƣờng thay thế cho HPLC.

16