Luận văn Nghiên cứu xử lý thuốc bảo vệ thực vật DDT trong đất bằng kỹ thuật phyto – fenton trên cơ sở hệ vetiver/nano Fe₃O₄

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu xử lý thuốc bảo vệ thực vật DDT trong đất bằng kỹ thuật phyto – fenton trên cơ sở hệ vetiver/nano Fe₃O₄

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- ĐỖ THỊ MINH HẲNG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ THUỐC BẢO VỆ THỰC VẬT DDT TRONG ĐẤT BẰNG KỸ THUẬT PHYTO – FENTON TRÊN CƠ SỞ HỆ VETIVER/NANO Fe3O 4 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2020
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- ĐỖ THỊ MINH HẲNG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ THUỐC BẢO VỆ THỰC VẬT DDT TRONG ĐẤT BẰNG KỸ THUẬT PHYTO – FENTON TRÊN CƠ SỞ HỆ VETIVER/NANO Fe3O 4 Chuyên ngành: Hóa môi trường Mã số: 8440112.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Trần Đình Trinh TS. Đào Thị Nhung Hà Nội – 2020
3. LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Trần Đình Trinh và TS. Đào Thị Nhung giảng viên Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình hướng dẫn về chuyên môn, phương pháp nghiên cứu và tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài. Xin gửi lời trân trọng cảm ơn các thầy, cô giáo bộ môn Hóa môi trường, Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình dạy bảo, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành các nội dung học tập và thực hiện đề tài thuận lợi. Xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo và cán bộ Phòng Phân tích và Kiểm tra chất lượng sản phẩm, Trung tâm Khoa học Công nghệ và Môi trường – Liên minh Hợp tác xã Việt Nam đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôi trong quá trình triển khai nghiên cứu đề tài. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè và các bạn cùng lớp cao học Hóa môi trường khóa 2017 – 2019 đã giúp đỡ và động viên tôi trong hai năm học tập và quá trình làm luận văn. Hà Nội, tháng 5 năm 2020.
4. MỤC LỤC MỞ ĐẦU...................................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN.....................................................................................3 1.1. Giới thiệu chung về hóa chất bảo vệ thực vật DDT.............................................3 1.1.1. Lịch sử sử dụng và sản xuất DDT...................................................................3 1.1.2. DDT và các sản phẩm chuyển hóa trong môi trường đât................................5 1.1.3. Độc tính và ảnh hưởng của DDT tới môi trường và sức khỏe..........................8 1.2. Tình hình tồn lưu DDT trong môi trường đất tại Việt Nam...............................11 1.3. Các phương pháp xử lý thuốc bảo vệ thực vật trong môi trường đất.................14 1.3.1. Các phương pháp vật lý................................................................................14 1.3.2. Các phương pháp hóa học.............................................................................15 1.3.3. Các phương pháp xử lý sinh học...................................................................17 1.4. Giới thiệu công nghệ xử lý ô nhiễm môi trường bằng thực vật và cỏ Vetiver...18 1.5. Giới thiệu và ứng dụng kỹ thuật Phyto – Fenton trong việc loại bỏ chất ô nhiễm trong đất...................................................................................................................21 CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU........................26 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.....................................................................26 2.2. Hóa chất và thiết bị...........................................................................................26 2.2.1. Hóa chất.........................................................................................................26 2.2.2. Thiết bị và dụng cụ........................................................................................27 2.3. Phương pháp nghiên cứu..................................................................................27 2.3.1. Khảo sát ngoài thực địa, đánh giá hiện trạng ô nhiễm DDT trong môi trường đất tại một số địa phương..................................................................................27 2.3.2. Phương pháp bố trí thí nghiệm xử lý DDT trong môi trường đất...................28 2.3.3. Phương pháp thu mẫu và bảo quản mẫu........................................................30 2.3.4. Các phương pháp phân tích............................................................................31 2.3.5. Phương pháp xử lý mẫu trong phòng thí nghiệm...........................................33 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN...........................................................40 3.1. Xây dựng đường chuẩn xác định các chất phân tích.........................................40
5. 3.1.1. Đường chuẩn DDT, DDE và DDD................................................................40 3.1.2. Xây dựng đường chuẩn Fe.............................................................................42 3.2. Nghiên cứu khả năng xử lý DDT bằng cỏ Vetiver và hệ Vetiver/nano Fe 3O 4 quy mô phòng thí nghiệm........................................................................................42 3.2.1. Đánh giá khả năng sinh trưởng, phát triển của cỏ Vetiver trong quá trình xử lý 42 3.2.2. Sự thay đổi nồng độ DDT trong đất và cỏ Vetiver.........................................44 3.2.2.1. Hàm lượng DDT trong cỏ Vetiver...............................................................44 3.3.3. Sự thay đổi hàm lượng Fe tổng trong cỏ và đất.............................................47 3.3. Dư lượng DDT trong đất từ các kho chứa hóa chất bảo vệ thực vật tại một số tỉnh miền Bắc và miền Trung...................................................................................48 3.4. Kết quả xử lý DDT tại hiện trường bằng cỏ Vetiver, nano Fe 3O 4 và hệ Vetiver/nano Fe3O 4 ...........................................................................................49 3.4.1. Sự phân bố các chất DDE, DDD, DDT trong đất..........................................50 3.4.2. Kết quả xử lý DDT trong đất theo thời gian...................................................52 3.4.3. Động học của quá trình xử lý.........................................................................54 3.4.4. Mối tương quan giữa nguyên tố Fe và hiệu quả xử lý DDT...........................56 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................59 TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................60
6. DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Tên viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh AOPs Quá trình oxy hóa tiên tiến Advanced Oxidation Process BVTV Bảo vệ thực vật GC/ECD Sắc ký khí cộng kết điện tử Gas Chromatography with Electron Capture Detector ICP – OES Quang phổ phát xạ Plasma Inductively coupled plasma – optical emission spectrometry LD50 Liều lượng gây chết 50% động Lethal Dose vật thí nghiệm POPs Các chất ô nhiễm hữu cơ khó Persistent organic pollutants phân hủy QCVN Quy chuẩn Việt Nam QuEChERS Nhanh chóng, dễ dàng, rẻ, hiệu Quick, Easy, CheaP, Effective, quả, chắc chắn, an toàn Rugged and Safe TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam US EPA Cơ quan Bảo vệ môi trường Hoa United States Environmental Kỳ Protction Agency
7. DANH MỤC BẢNG Bảng 1: DDT sử dụng trong phòng chống sốt rét từ năm 1957 – 1974 [6]................3 Bảng 2: Cấu trúc và tính chất vật lý của P,P’ – DDT; P,P’ – DDE và P,P’ – DDD [10].......6 Bảng 3: Khả năng chịu đựng của cỏ Vetiver với nồng độ chất hữu cơ [1]...............21 Bảng 4: Chi tiết kế hoạch lấy mẫu đất tại các khu vực A, B, C, a, b, c....................30 Bảng 5: Điều kiện chạy máy GC/ECD....................................................................36 Bảng 6: Chương trình nhiệt lò vi sóng phân tích Fe trong đất.................................37 Bảng 7: Chương trình nhiệt độ lò vi sóng phân tích Fe trong mẫu sinh phẩm.........38 Bảng 8: Điều kiện chạy máy ICP – OES.................................................................39 Bảng 9: Phương trình đường chuẩn DDE, DDD, DDT...........................................41 Bảng 10: Ảnh hưởng của hàm lượng Fe3O4 đến sự biến đổi nồng độ DDT và hiệu suất phân hủy DDT trong đất...................................................................................46 Bảng 11: Hàm lượng Fe tổng trong mẫu cỏ và đất qua các đợt...............................47 Bảng 12: Kết quả phân tích DDT trong mẫu đất tại các kho chứa ở các tỉnh miền Bắc và miền Trung..................................................................................................48 Bảng 13: Nồng độ DDT tại các điểm khác nhau và độ sâu của các khu vực nghiên cứu.....50
8. DANH MỤC HÌNH Hình 1: Sự biến đối thuốc trừ sâu trong đất [4]........................................................10 Hình 2: Bản đồ số điểm phát hiện tồn dư DDT tại Việt Nam...................................13 Hình 3: Hệ thống xử lý bằng các phản ứng sinh học cho đất [4].............................17 Hình 4: Cỏ Vetiver...................................................................................................20 Hình 5: Quá trình Fenton nâng cao..........................................................................22 Hình 6: Quá trình Phyto – Fenton [20]....................................................................23 Hình 7: Đánh giá sinh trưởng của cỏ Vetiver trong điều kiện thí nghiệm................28 Hình 8: Bố trí thí nghiệm ngoài hiện trường............................................................29 Hình 9: Sơ đồ thiết bị sắc kí khí...............................................................................31 Hình 10: Thiết bị GC/ECD (450 - GC, Bruker).......................................................32 Hình 11: Thiết bị ICP - OES....................................................................................33 Hình 12: Quy trình phân tích dư lượng hóa chất BVTV trong đất...........................34 Hình 13: Sắc đồ hỗn hợP chuẩn DDE, DDD, DDT nồng độ 100 µg/l trên GC/ECD .................................................................................................................................40 Hình 14: Đường chuẩn xác định định lượng DDE, DDD, DDT trên thiết bị GC/ECD .................................................................................................................................41 Hình 15: Đường chuẩn xác định định lượng Fe trên thiết bị ICP – OES.................42 Hình 16: Sinh trưởng của cỏ (chiều cao thân) theo chiều cao..................................43 Hình 17: Hàm lượng DDT ( µg/kg) trong mẫu thân và rễ cỏ Vetiver.......................44 Hình 18: Sắc đồ mẫu đất CB – 5m (Hà Tĩnh) phân tích DDT, DDE, DDD trên thiết bị GC/ECD..............................................................................................................49 Hình 19: Tỷ lệ nồng độ P,p’ – DDE, p,p’ – DDD và P,p’ – DDT trong mỗi mẫu.....51 Hình 20: sự suy giảm DDE theo thời gian bởi cỏ Vetiver và hàm lượng nano Fe3O4 được thêm vào.........................................................................................................53 Hình 21: sự suy giảm DDE theo thời gian khi bổ sung hàm lượng nano Fe 3O4 và không có mặt cỏ Vetiver..........................................................................................54 Hình 22: Động học phân hủy DDE..........................................................................55 Hình 23: Sự biến đổi hàm lượng Fe trong đất trong quá trình xử lý DDT với sự có mặt của cỏ Vetiver/ Fe3O4........................................................................................56
9. Hình 24: Mối tương quan giữa tổng Fe và DDT trong đất với sự có mặt của cỏ Vetiver/ Fe3O4..........................................................................................................57
10. MỞ ĐẦU Thuốc bảo vệ thực vật nhóm clo hữu cơ là một trong những nhóm chất ô nhiễm khó phân hủy, từng được sản xuất vào những năm 60 của thế kỷ XX với mục đích diệt trừ sâu bệnh hại, diệt côn trùng,... Tuy nhiên đây là một loại hóa chất tồn dư rất lâu trong môi trường đất cũng như trầm tích, gây ảnh hưởng không tốt cho môi trường, sức khỏe đời sống của các sinh vật và con người. Vì vậy, từ năm 1972 tại các nước phát triển DDT đã bị cấm sử dụng hẳn. Ở Việt Nam, lệnh cấm sử dụng chính thức từ năm 1995 nhưng trên thực tế, nước ta vẫn sử dụng một khối lượng lớn thuốc BVTV khoảng hơn 40.000 tấn vào năm 1998. Hiện nay một lượng lớn DDT vẫn còn tồn lưu ở trong đất thuộc các khu vực – kho hóa chất BVTV cũ. Theo thời gian, các kho chứa này đã xuống cấP cộng với việc quản lý thiếu chặt chẽ, nên các loại hóa chất BVTV nói chung và DDT nói riêng bị phân tán ra môi trường, tạo ra những điểm ô nhiễm DDT gây nguy hại đối với hệ sinh thái và sức khỏe cộng đồng khu vực dân cư. Theo Quyết định số 1946/QĐ – TTg ngày 21 tháng 10 năm 2010 của Thủ tướng Chính phủ, nước ta hiện đang tồn tại 240 điểm tồn lưu hóa chất BVTV gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng và đặc biệt nghiêm trọng với 95 điểm gây ô nhiễm môi trường. Dư lượng DDT trong các mẫu đất xung quanh khu vực này có hàm lượng cao hơn nhiều lần so với Quy chuẩn Việt Nam QCVN 15:2008/BTNMT về dư lượng hóa chất BVTV trong đất. Do đó, việc nghiên cứu xử lý ô nhiễm DDT trong đất tại các khu vực này là rất cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn đối với công tác bảo vệ, cải tạo môi trường và bảo vệ sức khỏe con người. Một số phương pháP xử lý dư lượng thuốc bảo vệ thực vật trong đất chủ yếu là chôn lấP, thiêu hủy,... Các phương pháP xử lý này cần phải sử dụng năng lượng lớn, chi phí vận hành cao, không an toàn nếu nhiệt độ không đủ lớn dễ dẫn tới việc tạo thành các sản phẩm thứ cấp độc hại hơn như dioxin và furan. Phương pháp xử lý đất ô nhiễm hóa chất bảo vệ thực vật khó phân hủy bằng quá trình Phyto – fenton trên cơ sở cỏ Vetiver/ Fe3O 4 đã được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu. 1