Tải bản đầy đủ

QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG Đề tài: Chapter 2: RAINWATER ANALYSIS (PHÂN TÍCH NƯỚC MƯA)

Quan trắc môi trường

Nhóm 6

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA MÔI TRƯỜNG
10CMT

QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG
Đề tài:

Chapter 2:
RAINWATER ANALYSIS
(PHÂN TÍCH NƯỚC MƯA)
GVHD: TS. Tô Thị Hiền

Danh sách nhóm:

1


Chu Thế Dũng

1022053

Lương Thái Hòa

1022112

Kim Châu Long

1022161

Võ Nguyễn Ngọc Quỳnh

1022243

Trần Hoài Thanh

1022261
1


Quan trắc môi trường

2

Nhóm 6

2


Quan trắc môi trường

Nhóm 6

MỤC LỤC
CHƯƠNG 2
PHÂN TÍCH NƯỚC MƯA

3



3


Quan trắc môi trường

Nhóm 6

CHƯƠNG 2

PHÂN TÍCH NƯỚC MƯA
2.1. Mưa acid
Nước mưa, là một thành phần quan trọng của chu trình thủy văn, nó đóng một
vai trò quan trọng trong việc hòa tan các hợp chất trong nước. Nước mưa đóng vai
trò như là một nguồn của nhiều dưỡng chất thiết yếu trong hệ sinh thái trên cạn và
thủy sinh. Nó cũng hoạt động như một chất tẩy rửa của khí quyển, các chất ô
nhiễm từ không khí sẽ được đưa vào các vùng nước mặt và đất, nơi chúng có thể
có ảnh hưởng không tốt đối với hệ sinh thái tự nhiên.
Một trong những mối quan tâm lớn về môi trường ngày nay là hiện tượng mưa
acid. Khi không bị ô nhiễm, mưa tinh khiết có tính acid nhẹ do sự hấp thu CO 2
trong khí quyển. Độ pH của nước trong trạng thái cân bằng với CO 2 trong khí
quyển là khoảng 5.6 (xem ví dụ 2.1) và do đó chỉ có các cơn mưa có độ pH thấp
hơn giá trị này mới được gọi là "mưa acid". Nước mưa có pH dao động giữa 3 và
9, đối với các mẫu thông thường giá trị của pH là khoảng từ 4 đến 6 (hình 2.1). Giá
trị pH cao có thể phát sinh từ sự có mặt của vật liệu bụi kiềm trong nước mưa, như
ví dụ tại New Delhi, trận mưa có giá trị pH cao nhất là 9. Giá trị pH dưới 3 đã được
ghi nhận trong những mẫu sương mù acid.
pH được định nghĩa là logarit cơ số 10 của ion hydro:
pH = - log10 αH+
Đối với dung dịch nước pha loãng mẫu, chẳng hạn như nước mưa, hoạt độ
bằng nồng độ của H+. pH là một thước đo lượng acid tự do.Nồng độ acid mạnh
dưới hình thức điện ly, và không phải tổng lượng acid.
Nồng độ acid của nước mưa được đo lần đầu tiên vào khoảng hơn 100 năm
trước đây trong cuộc cách mạng công nghiệp. Theo các tài liệu báo cáo lần đầu tiên
về mưa acid đã được thực hiện bởi một nhà khoa học Pháp, Ducros, năm 1845 cho
4

4


Quan trắc môi trường

Nhóm 6

xuất bản một bài báo mang tên “Observation d’une pluie acide”. Robert Angus
Smith, là người đầu tiên trên thế giới tìm hiểu về tình trạng ô nhiễm không khí , đã
báo cáo mưa acid trong thành phố Manchester trong cuốn sách "Air và Rain" của
ông được xuất bản vào năm 1872. Tuy nhiên, chỉ trong 30 năm thì mối quan tâm về
mưa acid đã được thể hiện rộng rãi. Trong những năm 1960, các nhà khoa học Bắc
Âu đã bắt đầu tìm hiểu về sự biến mất bí ẩn của cá từ các hồ và suối cho đến gió
thổi từ Vương quốc Anh và Trung Âu. Điều này dẫn đến một sự quan tâm mới
trong các hiện tượng mưa acid. Ngày nay, thuật ngữ "mưa acid" bao gồm không
chỉ có nước mưa mà là sự lắng đọng của tất cả các chất ô nhiễm có tính acid, cho
dù là mưa, sương mù, mây, sương, tuyết, các hạt bụi hoặc khí.
Mặc dù lần đầu tiên được công nhận là một vấn đề khu vực ở châu Âu và Bắc
Mỹ, nơi có nhiều ảnh hưởng đã được nghiên cứu rộng rãi và ghi nhận, mưa acid
bây giờ được quan tâm trên toàn thế giới, ngay cả ở các nơi cách xa với các nguồn
ô nhiễm công nghiệp, chẳng hạn như các băng vùng cực và những khu rừng mưa
nhiệt đới. Chỉ trong vòng một thế hệ, mưa acid đã trở thành một mối phiền toái tại
các địa phương và khu vực đó là một vấn đề lớn đối với môi trường toàn cầu.

5

5


Quan trắc môi trường

Nhóm 6

Hình 2.1 Thang đo pH cho thấy khoảng pH điển hình của nước mưa và các
mẫu môi trường khác.
Ví dụ 2.1
Tính pH của nước mưa trong trạng thái cân bằng với CO 2 trong khí quyển (CO2
=0,036%) ở 25oC, cho KH = 0,031 mol L -1atm; K1 = 4.3x10-7mol L-1; K2 = 5 x
l011 mol L-1.
Những cân bằng có liên quan cần phải xem xét để phân ly khí CO 2 trong nước và
khí CO2 hòa tan trong dung dịch nước
CO2 + H2O  CO2*H2O
KH = [CO2*H2O]/p SO2
+
CO2*H2O  HCO3 + H
K1 = [HCO3- ] [H+]/[CO2*H2O]
HCO-3  CO2-3 + H+
K2 = [CO2-3][H+]/[HCO3-]
Ta có thể thiết lập cân bằng electron sau đây:
[ H+ ] = [OH-] + [HCO-3] + 2[CO2-3]
Ta có thể giả sử rằng các phương pháp này sẽ có tính acid do sự phân ly trên
các phản ứng:
[OH-] << [H+]
[CO2-3] << [HCO-3]
Ngoài ra, từ K2 << K1, ta có thể giả sử rằng nồng độ của CO32-, này sẽ là không
đáng kể:
Loại bỏ OH- và CO2-3 từ cân bằng electron, ta chỉ còn lại:
[ H + ] = [HCO-3]
Thay vào biểu thức cho K1 ta có được:



[ H + ] = ( K H x K1 x ~ pCO2 )1/2

Thay các giá trị của KH, K1 và pCO2 thể hiện trong bầu khí quyển (từ 0,036%là
áp lực một phần của CO2, và áp suất là 1 atm, 0,036% = 0.036/100 atm = 3,6 x
10 -4 atm).
[H+] = (0.031 x 4.3 x 10 -7 x 3.6 x 10-4)1/2 = 2.19 x l0 -6 mol LpH = - logl0[H+] = -logl02.19 x l0 -6 = 5.66

6

6


Quan trắc môi trường

Nhóm 6

2.1.1 Nguyên nhân gây mưa acid
Một minh họa đơn giản của các hiện tượng mưa acid được đưa ra trong hh́ình
2.2. Mưa acid có nguồn gốc từ sự chuyển hóa các chất khí gây ô nhiễm phát ra từ
các ống khói của than và dầu của các nhà máy phát điện, lò nung, nhà máy lọc dầu
nhà máy hóa chất, và xe có động cơ. Trong quá khứ, SO2 là nguyên nhân gây ra
mưa acid, tuy nhiên, sự hiện diện của NOx đã làm cho mưa acid tăng lên. Ngày
nay, sự hiện diện của hai chất gây ô nhiễm có nồng độ acid trong nước mưa gần
bằng nhau, do việc tăng số lượng xe ô tô trên đường phố và giảm khí thải SO2.
Khí SO2 được oxy hoá trong bầu khí quyển thành H 2SO4, giúp nó dễ dàng hấp
thụ bởi nước mưa. Quá trình oxy hóa tiến hành thông qua một loạt các cơ chế.
Trong pha khí, SO2 được oxy hóa chủ yếu bởi các gốc hydroxyl (OH).
Sulfurdioxide cũng có thể hòa tan trong các hạt mây theo cân bằng sau đây để tạo
SO2 hòa tan, bisulfite (HSO-3) và sulfite (SO2-3) ion:
SO2 + H2O 
SO2*H2O 
HSO3-



SO2*H2O

HSO3- + H+

SO32- + H+

KH = [SO2*H2O]/p SO2
K1 = [HSO3-][H+]/[SO2*H2O]
K2 = [SO2-3][H+]/[HSO3-]

KH là hằng số Henry của SO2 và K1, K2 là hằng số phân ly. Tiêu biểu tại các giá trị
pH của nước mưa (3-6), SO2 hòa tan hiện nay chủ yếu là ion bisulfite (Hình
2.3).Tổng số loại hoà tan được xem ở S (IV):
[S(IV)] = [ SO2 *H2O ] + [HSO3-] + [SO32-]

7

7


Quan trắc môi trường

Nhóm 6

Tại các đám mây, S (IV) có thể được oxy hóa thành sulfat (SO2-4) hòa tan
hydrogen peroxide (H2O2) và ozone (O3). Trong không khí ô nhiễm, các kim loại
như sắt và mangan có thể xúc tác cho quá trình oxy hóa SO2 trong đám mây. Phản
ứng này có pH phụ thuộc vào tốc độ gia tăng quá trình oxy hóa với pH
ngày càng cao. Các oxit nitơ, tạo ra trong quá trình đốt cháy, được chuyển hóa
thành acid nitric trong khí quyển, chủ yếu là bởi các phản ứng ở pha khí. Acid
hydrochloric , hiện diện trong nhà máy điện ở nồng độ thấp, nên chỉ đóng góp một
phần nhỏ đến mưa acid.

Hình 2.2 Nguyên nhân gây mưa acid.

8

8


Quan trắc môi trường

Nhóm 6

Hình 2.3 Tỉ lệ S (IV) như một hàm số của pH.
Các quá trình tự nhiên cũng có thể làm tăng nồng độ acid của nước mưa.
Nhiều khí được tạo ra trong quá trình phun trào của núi lửa và cháy rừng. Ngoài
ra, quá trình làm giảm các hợp chất lưu huỳnh như hydrogen sulfide và
dimethylsulfide được giải phóng bởi sinh vật phù du và phân hủy sinh học trong
các đầm lầy và đất ven biển và nội địa. Các hợp chất này bị SO 2 oxi hóa trong khí
quyển. Ngoài ra, các acid hữu cơ như acid formic, axetic, có nguồn gốc từ các
nguồn tự nhiên, có thể góp phần quan trọng làm tăng tính acid của nước mưa, đặc
biệt là ở nông thôn. Hiện nay, khoảng một nửa lượng khí thải toàn cầu như lưu
huỳnh và NOx có nguồn gốc do con người. Khoảng 68% phát thải do con người
như SO2 và NOx, có nguồn gốc ở châu Âu và Bắc Mỹ, mà sự phát thải của các
nước đang phát triển, đặc biệt là ở châu Á đang tăng lên. Luồng chất gây ô nhiễm
có thể di chuyển hàng trăm hoặc thậm chí hàng ngàn km từ một nguồn nào đó
trước khi được chuyển thành mưa acid. Điều này được gọi là quá trình phát tán của
của các chất ô nhiễm trong không khí (LRTAP) nó đã trở thành một vấn đề chính
trị quan trọng vì sự chuyển động xuyên biên giới của các chất ô nhiễm qua các
quốc gia.
Hợp chất sunfuar được tách ra khỏi bầu khí quyển bằng quá trình lắng đọng.
Khí hòa tan trong các hạt mây, trong khi các hạt bụi được tích hợp thành những
giọt mây, hoặc là hạt nhân ngưng tụ mây (CCN), xung quanh có các giọt nước lớn,
hoặc bằng cơ chế quét khí thẳng. Các quá trình này được gọi là mưa. Sự kết hợp
của các hạt bụi và các phân tử khí thành giọt nước mưa rơi xuống được gọi là rửa
trôi. Cả mưa và rửa trôi được gọi là lắng đọng ướt. Lắng đọng khô liên quan đến
9

9


Quan trắc môi trường

Nhóm 6

việc bồi lắng các hạt bụi và sự khuếch tán của các phân tử khí lên các bề mặt. Quá
trình lắng đọng khô nói chung còn quan trọng hơn nguồn gốc của các chất gây ô
nhiễm
2.1.2 Tác động của mưa acid
Từ khi các nghiên cứu đầu tiên về mưa acid và cá chết đã được thực hiện 30
năm trước đây, một số tác động có hại của mưa acid đã được phát hiện. Một số
những ảnh hưởng này, được đưa ra trong Bảng 2.1, đã được chứng minh, trong khi
số khác vẫn còn tranh cãi do sự thiếu hiểu biết về một số cơ chế gây thiệt hại của
mưa acid.
Mưa acid có thể làm hồ và sông có tính axit, dẫn đến nhôm bị hòa tan cộng
với pH trong nước thấp đã làm cho cá bị chết hàng loạt. Các tác động độc hại phụ
thuộc vào các loài cá, nồng độ canxi trong nước và pH. Mưa acid cũng có thể làm
tăng tốc độ ăn mòn đá vôi và sắt, do đó nó làm hư hại các di tích lịch sử quan trọng
và các công trình xây dựng khác; nó có thể ảnh hưởng không tốt đến sự phát triển
của thực vật, dẫn đến suy giảm rừng và thiệt hại đến cây trồng; và thậm chí nó có
thể làm tăng hàm lương kim loại độc hại trong nguồn nước.
Bảng 2.1 Các tác động có hại của mưa acid:
Tác động
Cá chết

Cơ chế
Độc tính chủ yếu là do việc
giải phóng của A1 từ trầm
tích. A1 gây ra tắc nghẽn
mang với dịch nhầy.
Suy giảm Để hiểu rõ, các giả
rừng
thuyết khác nhau đã được đưa
ra, một trong số đó là mưa
acid đã giải
phóng A1 độc
hại từ đất gây tổn thương rễ
và cản trở sự hấp thu các chất
dinh dưỡng. Các áp lực
khác góp phần bao gồm hạn
hán, lạnh, bệnh tật vàô nhiễm
10

Bằng chứng
Cá hồi và cá hồi nâu đã biến mất
trong hàng ngàn các hồ và các con
song ở Bắc Âu, Canada, Hoa Kỳ và
lochs ở Scotland
Lần đầu tiên được quan sát ở
Đức vào giữa những năm 1970. Gần
25% tất cả các cây ở châu Âu đã bị
thiệt hại. Thông thường, cây mất
đi lá kim và ngọn cảu cây xân sam
Na Uy trở nên thưa hơn và lá
chuyển sang màu nâu

10


Quan trắc môi trường
khác như: O3)
Thiệt hại SO2 phản ứng với đá vôi
xây dựng (CaCO3) để tạo thành thạc
cao (CaSO4.H20) trong đó quá
trình hòa tan và có thể dễ
dàng được rửa sạch bởi nước
mưa

Nhóm 6

Ô nhiễm không khí có thể gây tác
hại đến các di tích lịch sử, nó đã
được ghi nhận ở châu Âu, Bắc Mỹ
và châu Á. Trường hợp đáng chú ý
là thành phố Cracow ở Ba Lan,
Acropolis tại Athens và đền Taj
Mahal ở Ấn Độ

Thiệt hại y Tăng tốc độ di chuyển của
tế
kim loại nặng trong chuỗi
thức ăn và tích lũy các kim
loại nặng trong nước uống và
thực phẩm
Gần đây, khái niệm về tải trọng đã được phát triển để định lượng và đánh giá
khả năng gây thiệt hại cho các vùng nhạy cảm. Tải trọng là ngưỡng nồng độ của
chất ô nhiễm mà nó bắt đầu gây tác hại được quan sát thấy và nó thường được xác
định bằng cách sử dụng các mô hình phức tạp. Đất đệm yếu, chẳng hạn như được
tìm thấy ở Bắc Âu, biểu hiện tải trọng đặc biệt thấp cho tính acid. Bản đồ các tải
trọng quan trọng của các khu vực khác nhau trên thế giới đang được chuẩn bị để dự
đoán tác động và hỗ trợ trong việc kiểm soát ô nhiễm acid.
2.1.3 Kiểm soát mưa acid
Như một hệ quả các nhà khoa học và công chúng đã quan tâm nhiều hơn đến
các tác hại của mưa acid, chính phủ và các tổ chức quốc tế đã thiết lập rất nhiều
nghiên cứu về mưa acid, và các giải pháp về pháp lý và công nghệ đã được thực
hiện để làm giảm vấn đề. Ủy ban Kinh tế của Liên Hợp Quốc ở châu Âu (UNECE)
Công ước về ô nhiễm không khí xuyên biên giới tầm xa, đã có hiệu lực vào năm
1983, nhằm mục đích kiểm soát mưa axit thông qua việc giảm lượng khí thải lưu
huỳnh. Nghị định thư UNECE đã ký tại Helsinki vào năm 1985 bên ký kết cần
phải giảm lượng khí thải chứa lưu huỳnh hàng năm là 30% bắt đầu từ năm 1980 và
có hiệu lực đến năm 1993. Một phương thức khác thậm chí còn nghiêm ngặt hơn
đã được thông qua vào năm 1994, là yêu cầu cắt giảm từ 13% và 70% năm được
thực hiện trong giai đoạn năm1980 đến năm 2000, 2005 và 2010. Liên minh châu
Âu EU đã ban hành một chỉ thị vào năm 1988 đòi hỏi phải giảm lượng phát thải
11

11


Quan trắc môi trường

Nhóm 6

khí SO2 từ 40% đến 60% năm 1998 và 50% đến 70% năm 2003, với tham chiếu
đến năm 1980 lượng khí thải. Ngoài ra, nó còn bắt buộc phải giảm lượng phát thải
NOx 40% vào năm 1998. Pháp chế tương tự cũng đã được thông qua ở Mỹ.
Lượng khí phát thải ra ban đầu được giảm bằng cách áp dụng các biện pháp
trước đây, hoặc sau khi đốt cháy nhiên liệu. Những biện pháp này bao gồm:
• Chuyển đổi nhiên liệu (tức là thay đổi từ các loại than chứa lưu huỳnh cao
sang sử dụng khí tự nhiên chứa lưu huỳnh thấp).
• Nhiên liệu khử lưu huỳnh (ví dụ như rửa than để loại bỏ lưu huỳnh, khí hóa
than).
• Công nghệ đốt mới (ví dụ như đốt một lò tầng sôi (FBC), NOx thấp, ổ ghi).
• Khí thải khử lưu huỳnh (ví dụ như cho khí thải tiếp xúc với vôi, đá bùn,
nước biển hoặc một số giải pháp khác hấp thụ SO2).
• Khử NOx thành N2 (ví dụ tiêm NH3 vào khí thải trên một chất xúc tác).
• 3 cách chuyển đổi xúc tác để giảm NOx, khí thải từ động cơ xe.
Giới thiệu về các giải pháp kiểm soát đã dẫn đến giảm lượng khí thải ở nhiều
nước phát triển, tuy nhiên, lượng khí thải ở các nước đang phát triển đang có xu
hướng tăng lên. Việc điều khiển phát thải khí như là bón vôi vào hồ và bị đất ảnh
hưởng để trung hòa tính axit. Điều này không có, tuy nhiên, một giải pháp lâu dài
cho vấn đề này là việc bón vôi phải được lặp đi lặp lại đúng thời gian như vậy thì
nước trở nên có tính acid.
2.2. Lấy mẫu và phân tích.
Những mối quan tâm ngày càng cao về mưa acid đã dẫn đến việc thành lập
nhiều chương trình giám sát quốc gia và quốc tế về phân tích nước mưa một cách
thường xuyên. Một trong những mạng lưới trên toàn thế giới được điều hành như
là một phần của chiến lược theo dõi khí quyển toàn cầu (GAW) và của Tổ chức Y
tế Thế giới (WHO). Các thông số hóa học chính được xác định trong các cuộc điều
tra này là: pH, độ dẫn, sulfate, nitrate, chloride, ammonium, sodium, potassium,
calcium và nồng độ magnesium. Càng ngày, các acid hữu cơ (formic và axetic) và
các kim loại vết cũng đang được xác định. Các kỹ thuật phân tích mưa acid được
tóm tắt trong Bảng 2.2. Nồng độ cho phép của các ion khác nhau trong nước mưa
được đưa ra trong Bảng 2.3.
Bảng 2.2 Các kỹ thuật để phân tích nước mưa:
Kỹ thuật phân tích
12

Chất phân tích
12


Quan trắc môi trường

Nhóm 6

Cl-, NO3-, SO2-4, NH+4, Na+, K+, Mg2 +,
Ca2+ , formate, acetate.
Quang phổ hấp thụ nguyên tử ngọn Na+, K+, Mg2+, Ca2+.
lửa (FAAS)
Quang phổ phát xạ nguyên tử ngọn Na+, K+, Mg2+, Ca2+.
lửa(FAES)
Lò hấp thụ nguyên tử Graphite
Kim loại vết.
Quang phổ (GFAAS)
Một số kim loại vết.
Sắc ký Ion (IC)

Bảng 2.3 Nồng độ ion trong nước mưa:
Ion
Chlorid
Nitrat
Sulfat
Sodium (Na)
Potassium (K)
Magnesium (Mg)
Calcium (Ca)
Ammonium (Al)

Nồng độ (mg L-1)
0,02 - 60
0,1 - 20
0,1 - 30
0,02 - 30
0,02 - 2
0,005 - 2
0,02 - 4
0,03 - 4

Mặc dù việc phân tích nước mưa có vẻ như đơn giản, nhưng trong thực tế việc
phân tích nước mưa có khá nhiều vấn đề. Các lỗi thường gặp với các loại mẫu môi
trường hiện tại và chúng cũng trở nên trầm trọng hơn vì nồng độ thấp của các ion
có trong nước mưa. Nhiều mẫu nước mưa, đặc biệt là những mẫu có vị trí ở xa, gần
như là tinh khiết như nước cấp phòng thí nghiệm. Vì vậy, phải cẩn thận khi xử lý,
bảo quản và phân tích các mẫu nước mưa để duy trì mẫu không để mẫu bị biến
tính.
Các lỗi thường gặp trong phân tích nước mưa bao gồm:
• Ô nhiễm bởi các vật liệu sinh học (ví dụ như côn trùng) trong quá trình lấy
mẫu.
• Bốc hơi từ mẫu.
• Sự hấp thu/ giải hấp của các chất khí trong quá trình lấy mẫu hoặc trong
phòng thí nghiệm.
13

13


Quan trắc môi trường

Nhóm 6

• Các phản ứng hóa học hoặc phản ứng sinh học xảy ra trong quá trình lấy mẫu
hoặc lưu trữ mẫu.
• Tương tác với vật liệu chứa mẫu
• Do sơ suất nhiễm bẩn trong quá trình xử lý, phân tích mẫu.
Ammonia và acid hữu cơ đặc biệt dễ bị phản ứng trong quá trình lưu trữ và
việc sử dụng phụ gia như chloroform hoặc thymol được khuyến khích sử dụng để
bảo quản các mẫu phân tích này.
Mẫu nước mưa có thể có hai loại: mẫu ướt hoặc mẫu số lượng lớn. Mẫu ướt
được thu thập bằng bộ lấy mẫu chuyên biệt, do đó có thể loại bỏ sự nhiễm bẩn bởi
các hạt bụi rơi xuống trong suốt thời gian khô. Mẫu được lấy như vậy được gọi là
lắng đọng ướt hoặc mẫu nước mưa. Ban đầu, nước mưa được thu vào thùng hoặc
phễu đưa vào trong chai, vì vậy được gọi là thu gom số lượng lớn, và cách lấy mẫu
này vẫn còn áp dụng đến nay, đặc biệt là tại các địa điểm ở xa hoặc khó tiếp cận.
Những mẫu thu gom không chỉ có nước mưa (lắng đọng ướt) mà còn có các hạt bụi
và khí trong suốt thời gian của trận mưa (lắng đọng khô) và được cho là để thu
lắng đọng số lượng lớn. Những cách lấy mẫu này có ưu điểm là không sử dung
năng lượng điện và nó có thể được đặt tại các địa điểm từ xa khó tiếp cận. Tuy
nhiên, trong nhiều trường hợp, chúng ta muốn lấy mẫu cả hai lắng đọng ướt và khô
để có được một ước lượng về tổng sự lắng đọng của một chất. Trong trường hợp
này, lượng lớn lấy mẫu còn sót lại tại trong thực tế trong thời gian từ một ngày đến
một tháng. Trong nhiều cuộc khảo sát, người ta thường để mẫu phơi nhiễm một
tuần tại một thời điểm. Tuy nhiên, việc sử dụng lượng lớn mẫu để đánh giá sự lắng
đọng tổng số đã bị chỉ trích, và được lắng đọng khô đang được đánh giá trên cơ sở
nồng độ trong không khí.
Độ pH của nước mưa là một trong những phép đo khó thực hiện chính xác
nhất, và sự nghi ngờ này đã được thể hiện qua nhiều bài báo cáo trong nhiều tài
liệu. Điều này được minh họa trong bảng 2.4, tóm tắt phép đo độ pH trong dung
dịch acid loãng thực hiện bởi Văn phòng Tiêu chuẩn Quốc gia ở Mỹ. Thậm chí
trong các thí nghiệm được thực hiện bởi các kỹ thuật viên được đào tạo trong điều
kiện tốt nhất. Những vấn đề thường gặp khi phân tích pH là:

14

14


Quan trắc môi trường

Nhóm 6

• Sự khác biệt trong cường độ ion giữa các mẫu và bộ đệm được sử dụng để tiêu
chuẩn hóa các điện cực pH.
• Khuấy lỗi.
• Hấp thụ khí trong phòng thí nghiệm (ví dụ: NH3, CO2).
• Những phản ứng hóa học (ví dụ như giải thể của các hạt bụi kiềm trong đình chỉ).
• Những phản ứng sinh học (ví dụ: như sự suy thoái của các acid yếu như
axitformic, axetic).
Bảng 2.4 Phản ứng mới này, các nghiên cứu kết hợp lớp điện cực pH trong 10-4
mol L-1 HCL (từ một nghiên cứu của Cục Tiêu chuẩn Quốc gia, Washington):
Điện cực
1
2
3
4
5
Phạm vi

Ghi giá trị pH
Yên tĩnh
Khuấy động
3.944
3.816
3.864
3.661
3.908
3.741
3.899
3.841
3.875
3.755
0.080
0.180

Sự khác biệt
0.128
0.203
0.167
0.058
0.120
0.145

2.3 Sự phân tích và giải thích dữ liệu:
Về lý thuyết, nếu tất cả các thành phần của dung dịch được phân tích chính
xác thì tổng các cation và tổng anion tương đương nhau. Điều này được gọi là cân
bằng trung hòa điện, và nó được sử dụng để kiểm tra giá trị của 1 chất phân tích.
∑cations = ∑anions
Nếu tỷ lệ của tổng cation/ tổng anion nhỏ hơn 0.85 hoặc lớn hơn 1.15, dữ liệu
cần được xem xét lại, trong trường hợp này kết quả bị loại bỏ và mẫu cần phải
phân tích lại.
Khi thực hiện tính toán cân bằng ion, điều quan trọng là sử dụng nồng độ H +
dựa trên việc đo đạc tại thời điểm phân tích và không lấy giá trị pH đo được ngay
sau khi lấy mẫu nếu như việc phân tích không thực hiện ngay sau khi lấy mẫu. Bởi
15

15


Quan trắc môi trường

Nhóm 6

vì giá trị pH này có thể thay đổi trong quá trình bảo quản mẫu như là kết quả của
sự phản ứng.
Một cách kiểm tra thêm sự phân tích dựa trên đến tính dẫn điện
của mẫu trên cơ sở nồng độ đo được:
K = ∑λ C
c
i i

Với:
Kc: độ dẫn (µmho.cm-1)

λi: Độ dẫn đương lượng của ion thứ i dùng để điều chỉnh (cho trong bảng 2.5)
Ci: nồng độ µeq.L-1 của ion thứ i
Độ dẫn tính toán được so sánh với giá trị đo, Km, cho ta sự chênh lệch độ dẫn,
%CD:
%CD= 100(Kc-Km)/Km
Bảng 2.5 Độ dẫn đương lượng tại 25 0C và pha loãng vô hạn dùng để điều chỉnh
cho mỗi đơn vị được quy định

16

Ion

Độ dẫn đương lượng((µmho.cm-1)/ µeq.L-1

H+

0.35

Cl-

0.076

NO3-

0.071

SO42-

0.08
16


Quan trắc môi trường
NH4+

0.074

Na+

0.050

K+

0.074

Mg2+

0.053

Ca2+

0.060

HCO3-

0.044

Nhóm 6

Tiêu chuẩn US EPA về việc loại bỏ kết quả và phân tích lại mẫu được cho trong
bảng 2.6, Ví dụ 2.2
Bảng 2.6. Tiêu chuẩn Mỹ EPA để phân tích lại mẫu:
Đo độ dẫn µmho cm-1
<5
5 - 30
>30

%CD
> ± 50
> ± 30
> ± 20

Các mẫu được thu thập trong các cuộc điều tra nước mưa thường biểu lộ một
mối quan hệ ngược chiều giữa nồng độ ion và lượng mưa. Hiệu ứng pha loãng điển
hình này được minh họa trong hình 2.4 cho một thành phần.

17

17


Quan trắc môi trường

Nhóm 6

Hình 2.4. Nồng độ so với lượng mưa.
Ví dụ 2.2
Một mẫu nước mưa được phân tích và nồng độ sau đây ngăn chặn khai thác (mg
L-1): 0.34 Na+, 0.14 K+, 0.08 Mg2+ , 0.44 Ca2+ , 0.78Cl-, 0.72 NO-3, 0.86 SO2-4 và
0.015 NH+4. Độ pH là 5,03 và độ dẫn 10,9 µmho cm -1. Tính độ dẫn và so sánh
với độ dẫn đo được.Các mẫu cần phải được tái phân tích?
Trước hết, chuyển đổi các nồng độ thành các đơn vị của µeq L-1 như sau:
(µeq L-1) = 1000 x (mg L-1)/khối lượng tương đương
Khối lượng tương đương giống như khối lượng ion dùng cho ion đơn trị, nhưng
một nửa khối lượng ion cho hóa trị hai, như minh họa dưới đây:

Mg L-1

18

H+

Na+

K+

Mg2+

Ca2+

Cl-

NO3-

SO42-

NH4+

-

0.34

0.14

0.08

0.44

0.78

0.72

0.86

0.015

18


Quan trắc môi trường

Nhóm 6

Eq mass 1.0
1

22.9
9

39.1
0

12.1
5

20.0
4

35.4
5

62.0
1

µeq L-1

14.7
9

3.58

6.58

21.9
6

22.0
0

11.61 17.90 0.83

9.3
3

48.04 18.05

Tính dẫn điện, KC bằng cách nhân nồng độ µeq L-1 với các yếu tố thích hợp trong
Bảng 2.5.
Kc = ∑λi x Ci = (9.33 x 0.35) + (14.79 x 0.05) + (3.58 x 0.074)
+ (6.58 x 0.053) + (21.96 x 0.06) + (22.00 x 0.076)
+ (11.61 x 0.071) + (17.9 x 0.08) + (0.83 x 0.074)
= 9.93 µmho cm-1
So với giá trị đo được chúng ta có thể tính toán sự khác biệt độ dẫn theo%:
%CD = 100(Kc –Km)/Km = 100(9.93 – 10.9)/10.9 = -8.9%
Tiêu chuẩn Mỹ EPA (xem Bảng 2.6) quy định rằng nếu %CD > ±30% đối với
mẫu đo độ dẫn trong phạm vi của µmho 5-30 cm-1, thì cần phải được tái phân
tích. Đối với các mẫu trong ví dụ này, % CD = -8,9%, chúng ta có thể kết luận
rằng có liên hệ giữa độ dẫn đo được và tính toán kết quả có thể được chấp nhận
là hợp lệ.
Nói chung, lượng mưa ít kết quả có nhiều mẫu ở nồng độ cao, trong khi mưa lớn
kết quả trong nhiều mẫu pha loãng. Ngoài ra, ở giai đoạn ban đầu của lượng mưa
có nồng độ ion cao hơn so với giai đoạn sau do sự rửa trôi ban đầu của bụi và khí
trong khí quyển.

19

19


Quan trắc môi trường

Nhóm 6

Một hồ sơ điển hình của một số ion trong một cơn bão đặc biệt được thể hiện
trong Hình 2.5 minh họa tác dụng này. Nồng độ thấp kết hợp với các giai đoạn sau
của mưa bão thường được cho là để phản ánh nồng độ nước trong đám mây khi
chúng cho kết quả chủ yếu từ mưa mà ra.

Hình2.5. Nồng độ của một số ion trong nước mưa trong một cơn mưa nhiệt
đới stormas một hàm của thời gian từ đầu của trận mưa rào.
2.3.1 Các câu hỏi và những vấn đề.
1. Thảo luận về các quá trình hóa học dẫn đến sự hình thành của mưa acid?
Trả lời:
Khí SO2 được oxy hoá trong bầu khí quyển thành H2SO4, giúp nó dễ dàng hấp
thụ bởi nước mưa. Quá trình oxy hóa tiến hành thông qua một loạt các cơ chế.
Trong
pha khí, SO2 được oxy
hóa chủ yếu bởi các
gốc hydroxyl (OH).
Sulfurdioxide cũng có thể hòa tan trong các hạt mây theo cân bằng sau đây để tạo
SO2 hòa tan, bisulfite (HSO-3) và sulfite (SO2-3) ion:
SO2 + H2O 
SO2*H2O 
20

SO2*H2O

HSO3- + H+

KH = [SO2*H2O]/p SO2
K1 = [HSO3-][H+]/[SO2*H2O]
20


Quan trắc môi trường
HSO3-



SO32- + H+

Nhóm 6

K2 = [SO2-3][H+]/[HSO3-]

2. Thảo luận về ảnh hưởng của mưa acid?
Trả lời:
Tác động
Cá chết

Cơ chế
Độc tính chủ yếu là do việc
giải phóng của A1 từ trầm
tích. A1 gây ra tắc nghẽn
mang với dịch nhầy.
Suy giảm Để hiểu rõ, các giả
rừng
thuyết khác nhau đã được đưa
ra, một trong số đó là mưa
acid đã giải
phóng A1 độc
hại từ đất gây tổn thương rễ
và cản trở sự hấp thu các chất
dinh dưỡng. Các áp lực
khác góp phần bao gồm hạn
hán, lạnh, bệnh tật vàô nhiễm
khác như: O3)
Thiệt hại SO2 phản ứng với đá vôi
xây dựng (CaCO3) để tạo thành thạc
cao (CaSO4.H20) trong đó quá
trình hòa tan và có thể dễ
dàng được rửa sạch bởi nước
mưa

Bằng chứng
Cá hồi và cá hồi nâu đã biến mất
trong hàng ngàn các hồ và các con
song ở Bắc Âu, Canada, Hoa Kỳ và
lochs ở Scotland
Lần đầu tiên được quan sát ở
Đức vào giữa những năm 1970. Gần
25% tất cả các cây ở châu Âu đã bị
thiệt hại. Thông thường, cây mất
đi lá kim và ngọn cảu cây xân sam
Na Uy trở nên thưa hơn và lá
chuyển sang màu nâu

Ô nhiễm không khí có thể gây tác
hại đến các di tích lịch sử, nó đã
được ghi nhận ở châu Âu, Bắc Mỹ
và châu Á. Trường hợp đáng chú ý
là thành phố Cracow ở Ba Lan,
Acropolis tại Athens và đền Taj
Mahal ở Ấn Độ

Thiệt hại y Tăng tốc độ di chuyển của
tế
kim loại nặng trong chuỗi
thức ăn và tích lũy các kim
loại nặng trong nước uống và
thực phẩm

3. Làm thế nào để giảm thiểu ảnh hưởng của mưa acid?
21

21


Quan trắc môi trường

Nhóm 6

Trả lời:
-

Xây dựng các công trình nghiên cứu khoa học và các dự án liên quan đến
mưa acid.

-

Các nhà máy nhiệt điện phải lắp đặt thiết bị khử sunphua.

-

Các nước phát triển đang nghiên cứu xây dựng thuế bảo vệ môi trường không
khí- “thuế cacbon” áp dụng để giảm thiểu khí thải.

4. Tại sao bón vôi không phải là một giải pháp hiệu quả cho quá trình acid
hóa nước bề mặt µeq L-1?
Trả lời:
pH của nước thường xuyên biến động theo chu kỳ ngày đêm. Ngoài ra, pH
của nước có thể bị thấp do đất phèn, đặc biệt là hiện tượng pH giảm đột ngột sau
những cơn mưa đầu mùa. Sự biến động pH quá lớn sẽ ảnh hưởng trực tiếp gây sinh
trưởng của các loài thủy sinh. pH quá cao (vào buổi trưa) hay quá thấp (vào sáng
sớm) còn có ảnh hưởng gián tiếp làm tăng hàm lượng các khí độc. Khi pH cao sẽ
làm tăng hàm lượng NH3, ngược lại pH thấp sẽ làm tăng hàm lượng H 2S gây độc
cho cá. Sử dụng vôi để giữ pH ổn định, giúp tôm cá sinh trưởng tốt, tỉ lệ sống và
năng suất cao.
5. Phác thảo các kỹ thuật phân tích chính và phương pháp lấy mẫu được sử dụng
trong các cuộc điều tra nước mưa. Danh sách các chất phân tích chính và đề ra các
kỹ thuật phân tích thích hợp cho mỗi chất phân tích?
Trả lời:
Các

kỹ thuật để phân tích nước mưa:
Kỹ thuật phân tích

Sắc ký Ion (IC)
22

Chất phân tích
Cl-, NO3-, SO2-4, NH+4, Na+, K+, Mg2 +,
22


Quan trắc môi trường

Nhóm 6

Ca2+ , formate, acetate.
Quang phổ hấp thụ nguyên tử ngọn Na+, K+, Mg2+, Ca2+.
lửa (FAAS)
Quang phổ phát xạ nguyên tử ngọn Na+, K+, Mg2+, Ca2+.
lửa(FAES)
Lò hấp thụ nguyên tử Graphite

Kim loại vết.

Quang phổ (GFAAS)

Một số kim loại vết.

Ban đầu, nước mưa được thu vào thùng hoặc phễu đưa vào trong chai, vì vậy
được gọi là thu gom số lượng lớn, và cách lấy mẫu này vẫn còn áp dụng đến
nay, đặc biệt là tại các địa điểm ở xa hoặc khó tiếp cận.
6. Tính toán nồng độ của HSO3- và SO2-3: trong trạng thái cân bằng với 5 ppbv
SO2: (a) pH 4, (b) pH 7, và (c) pH 9. Sử dụng các hằng số cân bằng sau đây cho
SO2: KH = 1.24 mol L-1 atm-1, K1 = 1.74 x 10-2 mol L-1, K2 = 6.24 x 10-8 mol L-1?
7. Tính pH của nước ở trạng thái cân bằng với 10 ppbv SO2 bằng cách sử dụng
các hằng số cân bằng được đưa ra trong câu hỏi trước?
8. Chuyển đổi các nồng độ dưới đây thành µeq L -1?
(a) 3.5 mg L-1 SO2-4

 µeq L-1 = (1000 x 3.5)/64 = 54.69 µeq L-1

(b) 25 mg L-1

 µeq L-1 = (1000 x 25)/79 = 316.5 µeq L-1

PO3-4

(c) 18 mg L-1 NO-3

 µeq L-1 = (1000 x 18)/30 = 600 µeq L-1

(d) 98 µg L-1 Ca2+

 µeq L-1 = (1000 x 98.10-3)/40 = 2.45 µeq L-1

23

23


Quan trắc môi trường

Nhóm 6

9. Một mẫu nước mưa được phân tích và tìm thấy có những thành phần sau đây
trong mg L-1: 1.47 Na+, 1.53 K+, 0.29 Mg2+, 2.56 Ca2+, 0,39 Cl-, 2.01 NO-3, 0.38
SO2-4 và 0,12 NH+4. pH của mẫu là 5,01 và độ dẫn điện là 17,2 µmho cm-1. Kiểm
tra sự đúng đắn của phương pháp phân tích của sự cân bằng electron và phép đo độ
dẫn. Kết quả phân tích nên bị bác bỏ hay không?
2.4 pH, độ dẫn và các anion chính:
2.4.1 Phương pháp:
pH và độ dẫn được xác định ngay lập tức với mẫu vừa được lấy lên bằng
cách sử dụng phương pháp điện hóa.Những ion chính có thể được xác định trong
mẫu đã được bảo quản.Trong thí nghiệm, nồng độ của Cl -, NO3- và SO42- thì được
xác định bằng phương pháp sắc kí ion (IC) cùng thời gian như đo pH và đo độ dẫn.
Mẫu thì được bảo quản tại 40C trong tủ lạnh cho việc phân tích các cation tiếp theo
bằng phương pháp phổ hấp thu nguyên tử (ASS).
2.4.2 Chuẩn bị chai chứa mẫu
2.4.2.1 Dụng cụ đựng mẫu
Chai PP (Polypropylene) (có kích thước từ 150 mL đến 1L)
2.4.2.2 Quy trình thí nghiệm:
Mang nhiều chai PP (150-1000 mL) đi dán nhãn và cân chúng trên thiết bị
cân bằng để giữ chai cân bằng. Ghi lại khối lượng của chai chứa chứa mẫu.Trước
khi chứa mẫu nước mưa, chai chứa mẫu phải được làm sạch. Mang những chai PP
đã được cân với thể tích 150mL đi tráng với nước của phòng thí nghiệm. Sau đó đổ
đầy nước của phòng thí nghiệm vào những chai đã được làm sạch và đậy nắp. Một
vài chai có thể được đổ vào bằng nước và được phân tich như là mẫu trắng. Bạn
nên gom những chai mẫu trắng lại cùng 1 chỗ và mang trở lại phòng thí nghiệm, và
bảo quản trong cùng điều kiện như là mẫu cần phân tích.Việc phân tích những mẫu
trắng này có thể cho bạn biết rằng bạn đã nghiêm túc như thế nào trong công việc
lấy mẫu của bạn; nếu mà có bất kì chất nhiễm bẩn nào thể hiện trong mẫu trắng thì
có nghĩa là bạn làm việc rất cẩu thả!
Mặc dù thuốc thử hóa học để làm sạch như là acid chromic hoặc DECON
90 co thể được sử dụng để làm sạch chai, nhưng mà việc này cần được tránh sự
nhiễm bẩn của chai bằng cách làm sạch chính thuốc thử. Mặc dù trong nhiều mẫu
24

24


Quan trắc môi trường

Nhóm 6

nước mưa có sự tinh khiết, nhưng với lượng nhỏ của chất nhiễm bẩn có thể dẫn
đến sự sai lệch.
2.4.3 Lấy mẫu
2.4.3.1 Dụng cụ lấy mẫu



Phễu (đường kính 15-25 cm) và chai PP hoặc thùng nhựa
Giá đỡ và cái kẹp ống nghệm

2.4.3.2 Quy trình thực hiện:
Nhiệm vụ chính là để xác định 1 mẫu hiện diện và tránh bất kì chất nhiễm
bẩn.Tìm nơi lấy mẫu phù hợp, đưa ra việc xem xét các tiêu chí. Dụng cụ lấy mẫu
nên được đặt ở một khu vực mở không có sự cản trở phía trên hoặc gần dụng cụ
lấy mẫu, cái mà có thể cản trở hướng chảy của mưa, hoặc là gây nhiễm bẩn mẫu
(vd: không đặt dụng cụ lấy mẫu phía dưới, hoặc gần cây, gần tòa nhà cao, kế bên
bức tường…). Vị trí tốt nhất để đặt dụng cụ lấy mẫu là sân thượng của toà nhà
hoặc trong 1 nơi được làm sạch như là cái sân. Dụng cụ lấy mẫu nên được đặt tại
độ cao 1m phía trên bề mặt nếu có thể.
Lấy 1 chai lấy mẫu thể tich là 150-1000mL, đổ hết nước ra ngoài và lắc để
loại bỏ hết giọt nước. Đưa vào cái chai 1 cái phễu PP và phơi dụng cụ lấy mẫu
trong sân tại vị trí wlấy mẫu đã chọn.Bạn có thể sử dụng 1 cái giá đỡ và cái kẹp
ống nghiệm, hoặc một vài phương pháp khác, để giữ cái chai và cái phễu đúng vị
trí và ngăn không để cho dụng cụ lấy mẫu bị lật đổ khi có gió. Nếu bạn không có 1
cái phễu, bạn có thể sử dụng cái thùng để lấy mẫu và chuyển nó đến 1 cái chai sau
khi lấy mẫu. Chắc chắn sự chính xác về thời gian và ngày khi bạn phơi dụng cụ lấy
mẫu trong cái sân với thời gian và ngày khi bạn di chuyển dụng cụ lấy mẫu khỏi vị
trí đó hoặc thay đổi chai lấy mẫu. Thật là lý tưởng rằng bạn nên phơi dụng cụ lấy
mẫu trước trận mưa rào và mang nó vào bên trong ngay lập tức sau trân mưa rào,
nhưng điều này có thể không luôn luôn thực tế. Trong suốt trận mưa lớn cái chai có
thể đầy rất nhanh.Trong trường hợp này, không cho phép để chai tràn ra nhưng vẫn
giữ được sự thay đổi của chai, ghi lại chính xác thời gian phơi của mỗi chai bên
ngoài.Trong suốt cơn mưa phùn bạn có thể phải phơi dụng cụ lấy mẫu qua nhiều
lần mưa để lấy được thể tích mẫu đủ cho việc phân tích (100mL). Nhớ chú ý vị trí
và thời gian lấy mẫu, bởi vì với bất kì việc quan sát cái mà co thể giúp bạn giải
thích kết quả của bạn (các yếu tố khí tượng có liên hệ tới thời gian của việc lấy
mẫu của bạn bởi vì nó được thông báo trên những tờ báo địa phương và trên TV;
quan sát 1 cách trực quan về việc cháy rừng gần đó; ước lượng nguồn ô nhiễm
25

25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×