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
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

Chun ngành: Hóa Mơi trường
Mã số: 60440120

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. DƯƠNG HỒNG ANH

Hà Nội - Năm 2015


LỜI CẢM ƠN
Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn TS. Dương Hồng Anh
đã giao đề tài, nhiệt tình hướng 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
trường và Phát triển Bền vững – Trường 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, Trường 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 được 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 LƯỢNG NƯỚC TẠI
HIỆN TRƯỜNG”, mã số 13/HĐ-ĐT.13.14/CNMT thuộc Chương trình nghiên
cứu khoa học, ứng dụng và chuyển giao công nghệ phát triển ngành Công nghiệp
Môi trường do Bộ Công thương 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, Trường 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

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 khơng khí

9

1.3.4.

Điều kiện khí tượng thủy văn

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.

Ơ nhiễm mơi trường khơng 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

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

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 phương pháp
sắc ký ion
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

22

2.3.3.3. Đánh giá các thành phần nước mưa

23

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1.

22

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 hịa 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


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
C4D

Detector độ dẫn không tiếp xúc

CE

Điện di mao quản

IC

Sắc ký ion

HPLC

Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao

LOD

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

Bảng 1.2.

Phân loại các trận mưa 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 phương pháp điện di mao quản sử
dụng điện cực đo độ dẫn khơng tiếp xúc cho phân tích
các cation và anion trong nước mưa

21

Bảng 3.1.

Thời gian lưu của các ion

24

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

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.

Bảng 3.7.

40

Tổng nồng độ anion, cation cơ bản trong nước mưa và
chỉ số cân bằng ion

Bảng 3.6.

35

41

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

43

Hệ số làm giàu liên quan tới nguồn biển hoặc đất đối

47

với các thành phần nước mưa tại khu vực nghiên cứu ở


miền Bắc Việt Nam 2015
Bảng 3.8.

Các nguồn đóng góp vào những thành phần chính của

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

48


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1.

Sơ đồ q 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.

Hình 3.9.

37

Phần trăm đóng góp của các ion trong thành phần nước
mưa

Hình 3.8.

32

Tương quan kết quả nồng độ các cation giữa phương
pháp CE và IC

Hình 3.7.

29

Tương quan kết quả nồng độ các anion giữa phương
pháp CE và IC

Hình 3.6.

28

Điện di đồ phân tích mẫu nước mưa 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 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 thơng thường mang tính axit yếu do CO 2 của khơng khí hịa 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 trơi (wash out) từ khí
quyển. Giá trị pH nước mưa là một chỉ tiêu rất quan trọng trong việc đánh giá
mức độ ơ nhiễm mơi trường nói chung và mức độ ơ nhiễm khơng 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 cơng
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

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

1


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 trong mẫu nước mưa 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 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 mơi trường nước.

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 ln biến đổi theo thời gian và
khơng gian. Thời gian lưu 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 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 khơ 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 q trình này. Q 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
khơng tan hoặc bị hịa tan trong nước 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 thường xảy ra đối với các chất như SO 2,
NOx chúng có thể bị chuyển hóa khơng 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 khơng khí và
hạt lắng đọng ướt.

3


Q trình chuyển dịch ướt của các chất vết khí và hạt bằng sự rơi của lắng
đọng ướt dưới tầng đám mây được 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.
Như vậy thành phần hóa học của lắng đọng ướt chịu ảnh hưởng của các
thành phần trong khí quyển. Hiện nay người ta đang nghiên cứu xác định mối
quan hệ định lượng giữa nồng độ một chất trong khí quyển và trong nước mưa
như một hàm số của các điều kiện khí quyển.
1.1.2. Hiện tượng lắng đọng axit
Độ pH của nước mưa bằng 5,6 ở nhiệt độ 10 o C là một giá trị được xem là
một giá trị lý tưởng, tính cho nước nguyên chất cân bằng với nồng độ CO 2 trong
khơng khí. Các chất có nguồn gốc tự nhiên có cơ chế phát sinh và tiêu thụ ở thể
cân bằng và tương đối. Chu kỳ vận chuyển của các chất trong thành phần khơng
khí, đất và nước trong tự nhiên là tương đối ổn định. Giá trị pH của nước mưa tự
nhiên dao động trong khoảng 5 – 7 được coi là ở mức độ bình thường.
Nhưng con người trong quá trình cải tạo tự nhiên và trong các hoạt động
của mình đã có những tác động vào mơi trường gây sự mất ổn định của các chu
kỳ vật chất, làm thay đổi thành phần hóa học của đất, nước và đặc biệt là khí.
Nồng độ của các chất khí như NO x, SO2, NH3, hợp chất hữu cơ (CH3COO-,
HCOO- …), bụi trong khí quyển… vượt 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.
Nước mưa có pH < 5 đã được ghi nhận ở nhiều vùng trên thế giới như Tây
Âu, Bắc Mỹ, Trung Quốc, Nhật Bản … gây thiệt hại lớn về kinh tế và các cơng
trình văn hóa.
Hình dưới đây mơ tả một cách đầy đủ sự hình thành mưa axit từ các khí có
trong thiên nhiên cũng như từ các q trình hoạt động của con người gây ra.

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 ngun nhân chính gây ra mưa axit. Ngồi
ra các thành phần khác như NH 3, 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. Thơng 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 q trình hoạt động của núi

lửa. Đồng thời các lớp rong tảo dưới biển cũng tích tụ một lượng 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 SO 2 được phát
thải từ các nguồn tự nhiên chiếm khoảng một nửa SO 2 trong khí quyển lượng này
khơng tăng lên khi mà sunfua trong tự nhiên được tái tạo và sử dụng theo các cơ
chế khác nhau.
Trong tự nhiên khí NOx được giải phóng từ đất thơng qua hoạt động của vi
khuẩn và được tạo thành trong khơng khí khi có sét. Do sự phân tán khí trong tự
nhiên nồng độ của chúng được pha loãng và tác động rất ít tới nồng độ trong
không khí ở những vùng riêng biệt.
Phần lớn khí SO2 và NOx do con người phát thải vào khơng khí được tạo ra
trong q trình đốt nhiên liệu. Chủ yếu là dầu thô, xăng, than đá, khí đốt và các
sản phẩm dầu mỏ khác. Một lượng nhỏ SO 2 được tạo thành trong quá trình đốt
quặng có chứa lưu huỳnh và lưu huỳnh nguyên tố để sản xuất axit sunfuric
(H2SO4) hoặc do các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình đốt hoặc chưng cất
các hợp chất hữu cơ trong công nghệ sản xuất giấy. Khí SO2, SO3, H2SO4 (ở dạng
mù) thường thấy trong thành phần của khí lị ở nhiệt độ cao. Một trong những

6


nguồn đóng góp chính vào việc thải NOx là ống xả của các phương tiện giao
thông. Trong số bảy oxit nitơ (N2O, NO, N2O3, N2O4, NO2, NO3, N2O5) chỉ có NO
và NO2 được tăng lên từ nhiều hoạt động của con người và được coi là chất gây ô
nhiễm. Trong các đánh giá chất lượng môi trường chúng thường được báo cáo là
tổng oxit nitơ hoặc NOx. Quá trình điều tra cho thấy năm 1998 số lượng ơ tơ trên
tồn cầu vượt quá 400 tỷ, hơn 1,5 tỷ phương tiện giao thông ngày nay là ở trên
đường, nhiều hơn 10 lần so với 1950. Đặc biệt nguy hại hơn ở các nước nghèo,
kém phát triển các phương tiện giao thông thường là cũ được khôi phục lại và
sửa chữa lại, chạy quá tải và bảo dưỡng 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% 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. Ngồi ra
lượng nhỏ NOx cịn 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 ơ nhiễm khơng
khí chính là các ngành cơng 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 SO2 và NOx. Cường độ phát thải các chất

7


gây ơ nhiễm mơi 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 khơng 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

nước mưa. Các nhà nghiên cứu trên thế giới đang nghiên cứu các mơ hình tính
tốn cường độ phát thải khí SO2, NOx cho mỗi vùng kinh tế dựa trên mức độ sử
dụng nhiên liệu, hàm lượng các chất chứa nitơ, lưu 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 ơ nhiễm càng lớn. Những vùng đó có tiềm năng gây mưa axit.
Mức độ bị axit hóa của mỗi vùng được nhận biết dựa trên độ nhậy cảm của đất,
nước và được 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
lưu huỳnh và nitơ
Hợp chất

Hệ số
K/giờ

Q trình
Ơxi hóa

SO2

0,027

37

Wash-out bằng mưa

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 mưa

0,0125

80

Hấp thụ trên bề mặt

0,005

200

0,0475

21

Trung hòa
Axit
Sunfuric
H2SO4

Thời gian lưu T
(giờ)

Loại bỏ tồn phần khỏi khí
quyển

8


Hợp chất

SO42-

Hệ số
K/giờ

Quá trình
Wash-out bằng mưa

0,0125

Hấp thụ trên bề mặt

0,05

Loại bỏ tồn phần
Nitơ ơxit
(NO)

NO2

Axit Nitơric

HNO3

80
200

0,0175

30

3,3

0,3

0,012

8,3

0,025

40

Wash-out bằng mưa

0,01

100

Hấp thụ trên bề mặt

0,01

100

Loại bỏ tồn phần

0,165

6,1

Trung hịa

0,035

30

Wash-out bằng mưa

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 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+,

NH4+.
1.3.3. Hàm lượng các chất kiềm trong đất và khơng khí
Người ta thấy rằng 30% đến 70% các chất trên khơng trung có nguồn gốc từ
trái đất. Các thành phần này có mặt trong nước mưa thơng qua các q trình như
rửa trơi và hấp thụ. Những vùng đất có hàm lượng 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 nước mưa có thể được
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 tượng thủy văn ảnh hưởng đến tính axit của nước mưa
thơng qua những tác động tới mức độ xảy ra các phản ứng hóa học, mức độ phân
tán, lưu chuyển và sự lắng đọng của các chất ơ nhiễm trong khơng khí.
Những thơng số khí tượng quan trọng là: tốc độ và hướng gió, nhiệt độ, tính
ổn định của khơng khí, chiều cao hịa trộn, lượng mưa, độ ẩm và bức xạ mặt trời.
Việc nghiên cứu sâu các nhân tố ảnh hưởng đến lắng đọng axit là cơ sở dự
đoán xu hướng của mưa axit ở mỗi vùng. Từ đó đưa ra các giải pháp hiệu quả
nhằm hạn chế các hậu quả do mưa axit gây ra.
1.4. Tác động của mưa axit lên hệ sinh thái
Hiện tượng mưa axit hay lắng đọng axit đã được ghi nhận rất nhiều nơi trên
thế giới. Nó là vấn đề nguy hiểm đe dọa tới môi trường sống của con người. Nó
có thể gây ra các tác động lên hệ sinh thái đất nước vật chất và sức khỏe con
người.
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. Nước mưa 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

được rửa trơi xuống bề mặt trái đất và chúng được tích lũy dần trong đất. Mưa
axit hịa tan các chất khống 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 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 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 cịn 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 khơng 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 sơng, suối, hồ, ao, vịnh... Các ion kim loại có
tính độc cao như Zn, Ni, Pb, Al, Hg được hòa tan và rửa trơi từ khơng khí và từ
đất bởi nước có pH thấp sẽ được tích tụ trong các sơng, 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 hịa 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 dưới
nước gây ô nhiễm nguồn nước.
2. Tác động tới động thực vật sống dưới nước
Độ axit trong nước tăng là một trong những nguyên nhân làm cho cá và các
lồi khác trong nước khơng thể kéo dài cuộc sống. Các loài thủy thực vật sinh
trưởng ở pH 7,0 – 9,2 khi pH giảm chúng sẽ bị mất dần. Ở pH = 6 các vi khuẩn
phân hủy sống ở tầng đáy bắt đầu chết để lại các xác động vật, thực vật không

11


phân hủy chúng sẽ bị chất đống dưới đáy, do đó phần thức ăn cơ bản của sinh vật
tầng đáy khơng cịn và dĩ nhiên chúng sẽ bị biến mất.
Người 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.
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 q trình hơ hấp, kích ứng phổi và gây viêm phế quản,
viêm phổi, làm tăng tình trạng các bệnh hen, tim... Ngồi ra mưa axit cịn phá
hủy những cơng 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 thơng 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 cịn có khả năng tích tụ dần trong một số lồi thực vật và tiếp tục
tích tụ trong động vật và người 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 nước mặt, sự
thay đổi của vật chất, những ảnh hưởng về sinh lý học là các hậu quả của mưa
axit.
1.5. Ơ nhiễm mơi trường khơng 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 cơng 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 ơ nhiễm mơi
trường trong đó có ơ nhiễm khơng khí và nước nếu như 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 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 khơng 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 ơ nhiễm mơi trường và tìm ra nguồn gốc gây ô
nhiễm.

13


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 tồn lãnh thổ. Mục đích của các trạm này là điều tra cơ
bản về chất lượng môi trường, khơng khí thơng 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 (%)
Năm 2013

Năm 2014

0

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
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 bắc
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

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 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
khơng khí nói riêng và mơi trường nói chung.
1.6. Phương pháp phân tích thành phần các ion trong nước mưa
Các ion vơ cơ chính có mặt trong thành phần nước mưa là: HCO 3-, Cl-,
NO3-, NO2-, SO42- NH4+, K+, Na+, Ca2+, Mg2+. Ngồi 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 địi hỏi q 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 địi 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
phịng 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, địi 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 mơi trường tại hiện trường thay thế cho HPLC.

16