Đánh giá các phương pháp phân tách vi nhựa trong nước mặt, áp dụng cho sông Nhuệ, sông Đáy

Vấn đề vi nhựa đã được các nhà khoa học đặt ra từ những năm 70s của thế kỷ trước, tuy nhiên, đa phần các nghiên cứu hiện nay chỉ tập trung vào phân tích vi nhựa trên biển, các phương pháp phân tách cho thủy vực trên bờ chưa được chú trọng. Trong nghiên cứu này, 4 nhóm phương pháp phân tách và loại bỏ chất hữu cơ cho vi nhựa đã được xem xét.

Tổng quan

Sự ra đời của nhựa bắt đầu vào khoảng giữa thế kỷ 19, quá trình sản xuất thương mại của chúng được tăng tốc kể từ khi kết thúc chiến tranh thế giới thứ hai. Cùng với sự phát triển đa dạng các chủng loại nhựa vào đầu thế kỷ XX, sản lượng nhựa toàn cầu đã tăng trưởng theo cấp số nhân sau những năm 1950. Một ước tính về mức độ phổ biến của các dạng nhựa ngày nay là khoảng bảy loại nhựa nhiệt dẻo hàng hóa chiếm khoảng 85% tổng lượng nhựa có sẵn trên thị trường trên toàn cầu (Resins, 2015). Cùng với sự gia tăng nhu cầu sử dụng nhựa, vấn đề phát thải nhựa cũng bắt đầu được đặt ra. Rác thải nhựa khi phan hủy sẽ tạo ra các hạt vi nhựa. Năm 1972, vấn đề vi nhựa lần đầu tiên được Carpenter phát hiện trong môi trường biển [1,2]. Kể từ đó, vi nhựa trong môi trường ngày càng nhận được sự quan tâm của các nhà khoa học với số lượng các công bố ngày càng tăng, tuy nhiên, hạt vi nhựa trong môi trường nước ngọt chỉ chiếm một phần nhỏ trong số lượng này [3]. Các thành phố có thể được coi là một trong những nguồn phát thải vi nhựa chính vì chúng tập trung với mật độ đặc biệt cao tất cả các hoạt động liên quan đến nhựa và vi nhựa, từ hoạt động của sinh hoạt, công nghiệp hay các hoạt động khác [3]. 

Xuất phát từ nhu cầu đó, các nghiên cứu về phân tích và đánh giá vi nhựa đã được đặt ra, bao gồm cả phương pháp tiêu chuẩn do NOAA đưa ra [4]. Mặc dù, mặc dù hệ sinh thái nước ngọt là nguồn cung cấp nước thiết yếu nhưng chúng lại ít được nghiên cứu hơn hệ sinh thái biển về ô nhiễm vi nhựa. Razeghi và cộng sự [5] đã đánh giá 150 bài báo về phân tích vi nhựa trong nước ngọt, so sánh các hóa chất chính được sử dụng trong các bước phân hủy và tách mật độ. NaCl là loại muối phổ biến nhất được sử dụng để tách vi nhựa khỏi môi trường nước ngọt. H2O2 và Fenton là phương pháp được sử dụng thường xuyên nhất để phân hủy các chất hữu cơ.

Một trong những mối quan tâm hàng đầu đối với việc phân tích vi nhựa trong môi trường tự nhiên là lựa chọn phương pháp rẻ tiền, đơn giản và tiết kiệm chi phí. Do đó, nghiên cứu này tập trung đánh giá hiệu quả thu hồi vi nhựa trong nước ngọt của một số phương pháp chiết xuất vi nhựa bên cạnh đánh giá hiệu quả của quá trình phân hủy các hệ hữu cơ kèm theo. Ưu điểm và nhược điểm của từng phương pháp đã được thảo luận nhằm đề xuất phương pháp hiệu quả và hợp lý nhất để tách vi hạt nhựa ra khỏi môi trường nước.

Phương pháp tiến hành

Thu hồi vi nhựa

Để đánh giá các quy trình thu hồi vi nhựa, từ đó lựa chọn phương pháp phân tích phù hợp, nghiên cứu này đánh giá với 4 loại nhựa phổ biến là PE, PVC, PET, và PS. Các loại nhựa này được lựa chọn trong nghiên cứu cứu này được thu thập từ các sản phẩm thải trong rác thải đô thị của Hà Nội, như trong Bảng 2.1. Các mẫu nhựa được lựa chọn có màu sắc khác nhau để phân biệt. Các mẫu nhựa được tẩy rửa và làm sạch bằng cồn, sau đó được để khô tự nhiên trong điều kiện phòng thí nghiệm. Các mẫu này được cắt nhỏ và đem đi sàng qua 2 rây kim loại có kích thước lần lượt là 1mm và 0,35 mm. 

Mẫu nước được sử dụng để đánh giá bao gồm nước cất 2 lần deion trong phòng thí nghiệm, mẫu nước sông tại cống Liên Mạc và mẫu nước thải tại cống thải tại khu dân cư chảy ra bờ phải sông Tô Lịch gần ngõ 139 đường Nguyễn Ngoc Vũ, TP Hà Nội. 

Mỗi vị trí thu 20 L mẫu nước, lọc qua lưới sinh vật phù du có kích thước 0,35 mm. Các mẫu nước sông và nước thải được bảo quản tại -4oC trước khi tiến hành phân tách, xác định mật độ và thành phần vi nhựa.

Để xác định hiệu quả thu hồi vi nhựa của các phương pháp tiến hành phân tách với các mẫu nước giả định: Chuẩn bị các mẫu nước (nước cất/deion), thêm vào mỗi mẫu nước 20 hạt nhựa cho mỗi loại nhựa (kích thước 0,35-1mm/1 loại vi nhựa), tổng cộng 80 hạt nhựa/mẫu. 

Bốn phương pháp để xử lý mẫu được lựa chọn bao gồm (Bảng 2):

Các mẫu nước được tiến hành xử lý chất hữu cơ, sau đó bổ sung muối NaCl hoặc ZnCl2. Các hạt vi nhựa nổi phía trên được thu thập và cho vào cốc lọc 500 mL của hãng Nalgene. Sau đó lọc qua màng lọc thủy tinh (GF/A 47mm - 1.6µm Whatman) kẻ ô đường kính 47 mm, kích thước lỗ lọc 0,45 µm, mỗi mảnh giấy có 100 ô với kích thước mỗi ô là 3,1x3,1 mm. 

Hiệu suất thu hồi vi nhựa (H) = [vi nhựa được thu thập và đếm trên bộ lọc/vi nhựa cho vào mẫu nước] × 100. 

Các thí nghiệm lặp lại 3 lần.

Đánh giá tính chất hóa học của vi nhựa sau thu hồi

Các mẫu vi nhựa trong nước thải sau khi thu hồi sẽ được lựa chọn ngẫu nhiên với 4 mẫu vi nhựa để phân tích FTIR. Kết quả này được sử dụng để đánh giá độ sạch của mẫu sau xử lý. Quá trình phân tích này được tiến hành bằng máy FTIR Jasco 4600 tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Vật liệu tiên tiến cho phát triển xanh, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.

Bảng 1. Tỉ trọng và các loại nhựa sử dụng phổ biến

Đánh giá các phương pháp phân tách vi nhựa trong nước mặt, áp dụng cho sông Nhuệ, sông Đáy

Bảng 2. Quy trình phân tách nhựa

Đánh giá các phương pháp phân tách vi nhựa trong nước mặt, áp dụng cho sông Nhuệ, sông Đáy

Bảng 3. Hiệu suất thu hồi vi nhựa theo các phương pháp thử nghiệm (Đơn vị: %)

Đánh giá các phương pháp phân tách vi nhựa trong nước mặt, áp dụng cho sông Nhuệ, sông Đáy

Kết quả và thảo luận

Đánh giá hiệu suất thu hồi vi nhựa

Bảng 3 có thể thấy hiệu suất thu hồi vi nhựa đối với các mẫu nước cất, nước mặt và nước thải khá tương đồng nhau, theo đó sự ảnh hưởng của tính chất 3 loại nước này tác động lên kết quả phân tách là không lớn. Đối với các phương pháp phân tách, hiệu suất thu hồi trung bình thấp nhất là với nước cất ở PP1 và PP2, đều ở khoảng 68% và cao nhất là với PP4 đạt 94,2%. Tương tự với nước mặt và nước thải, hiệu suất thu hồi lần lượt là trong khoảng 69,8-94% và 65,8-91,6%.

Về tỉ lệ thu hồi giữa các loại nhựa, kết quả cho thấy các loại nhựa PP, PE, PS có hiệu suất thu hồi với 3 phương pháp thử nghiệm PP1, PP2 và PP3 là khá tương đồng, với hiệu suất trung bình trong khoảng 70-80%. Tuy nhiên, với nhựa PVC, hiệu suất thu hồi khi sử dụng các phương pháp PP1 và PP2 là rất thấp, chỉ đạt khoảng 50-70%. Điều này có thể được lý giải do khối lượng riêng của PVC khá nặng, do đó, việc tăng khối lượng riêng của nước chưa đủ để tách chúng ra. Hiệu suất này chỉ tăng lên khi sử dụng ZnCl2 trong quá trình thu hồi. Tuy nhiên, một số nghiên cứu cho thấy hiệu quả thu hồi đối với mẫu chuẩn đôi khi có thể không phản ánh hiệu quả thu hồi đối với hỗn hợp vi nhựa được tìm thấy trong các mẫu môi trường. Do vậy, trong nghiên cứu của Tiefeng Cui và cộng sự [7] đã khuyến nghị rằng các mẫu vi nhựa chuẩn cần chứa ít nhất chứa ba loại polymer có mật độ, ba hình dạng khác nhau và kích thước tương tự giới hạn phát hiện và các điều kiện này phải được kiểm tra đồng thời khi tiến hành các phương pháp phân tích.

Đối với 4 phương pháp thử nghiệm, hiệu suất thu hồi của PP1 là thấp nhất, chỉ có 67,8% và cao nhất đạt được là 93,2% ở phương pháp PP4. 

Kết quả thu được là tương đồng với phương pháp thu hồi bằng kính hiển vi được gắn huỳnh quang sử dụng thiết bị tách thủy tinh thể tích nhỏ cao hơn 12-39% so với phương pháp chuẩn bị mẫu phổ biến thông thường. Phương pháp sử dụng kính hiển vi được gắn huỳnh quang có hiệu suất thu hồi trung bình 64 ± 29% đối với tất cả các hạt vi nhựa trong mẫu môi trường. Kết quả cũng cho thấy kích thước và mật độ có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng thất thoát (mất) hạt vi nhựa. Hiệu suất thu hồi đối với các hạt kích thước nhỏ là thấp hơn ở cả hai phương pháp so với các hạt kích thước lớn hơn, tuy nhiên thiết bị tách thủy tinh thể tích nhỏ có hiệu suất thu hồi cao hơn đáng kể đối với các mẫu có mật độ hạt vi nhựa cao hơn.

Phân tích đặc điểm hóa học của hạt nhựa sau phân tách

Hình 1 và hình 2 thể hiện một số kết quả phân tích phổ FTIR thu được sau khi tiến hành thu hồi mẫu. Các kết quả thu được so sánh với phổ đồ chuẩn trong nghiên cứu của Jung và cộng sự [8], theo đó có thể thấy, với các mẫu thu hồi bằng phương pháp Fenton, phổ đồ thường sạch hơn, ít có các peak của các liên kết khác, không phải các liên kết của nhựa tương tự phổ chuẩn. Điều này có thể đánh giá, việc sử dụng H2O2 làm sạch mẫu chưa hoàn toàn loại bỏ hết các chất hữu cơ ra khỏi môi trường. Điều này được giải thích là do trong môi trường nước ngọt, đặc biệt là các thủy vực bị tác động lớn bởi nước thải, có hàm lượng hữu cơ cao, các phương pháp oxi hóa như H2O2 chưa bảo đảm việc loại bỏ hoàn toàn chất hữu cơ bám dính lên bề mặt hạt vi nhựa. 

Hình 1. Kết quả phân tích FTIR đối với mẫu vi nhựa thu hồi từ nước thải bằng phương pháp 4 với các loại nhựa a, PP; b: PE; c: PS; d: PVC 

Đánh giá các phương pháp phân tách vi nhựa trong nước mặt, áp dụng cho sông Nhuệ, sông Đáy

Hình 2. Kết quả phân tích FTIR đối với mẫu vi nhựa thu hồi từ nước thải bằng phương pháp 3 với các loại nhựa a, PP; b: PE; c: PS; d: PVC

Đánh giá các phương pháp phân tách vi nhựa trong nước mặt, áp dụng cho sông Nhuệ, sông Đáy

Kết luận

Các kết quả thu được cho thấy, nhựa PVC có khả năng phân tách kém nhất trong 4 loại nhựa được thử nghiệm, chỉ phân tách hiệu quả khi sử dụng ZnCl2, trong khi các loại nhựa khác đều phân tách hiệu quả với cả NaCl và ZnCl2. Bên cạnh đó, kết quả phân tích FTIR đối với các vi nhựa từ nước thải cho thấy, quá trình oxi hóa bằng Fenton cho phổ đồ sạch hơn so với phương pháp H2O2. 

Các kết quả trên cho thấy, để phân tách và đánh giá tính chất của vi nhựa được thu hồi từ các nguồn nước sông bị ô nhiễm chất hữu cơ, phương pháp được đề xuất là sử dụng Fenton cho quá trình loại bỏ hữu cơ và phân tách bằng ZnCl2 nhằm thu hồi vi nhựa.

Tài liệu tham khảo

1. Carpenter, E. J., and Smith Jr, K. L., 1972. Plastics on the Sargasso Sea surface. Science, 175(4027), 1240–1241. doi: 10.1126/science.175.4027.1240 

2. Carpenter, E. J., Anderson, S. J., Harvey, G. R., Miklas, H. P., and Peck, B. B., 1972. Polystyrene spherules in coastal waters. Science, 178(4062), 749–750. doi: 10.1126/science.178.4062.749 

3. Dris, R., Gasperi, J., & Tassin, B. (2018). Sources and fate of microplastics in urban areas: a focus on Paris megacity Freshwater Microplastics (pp. 69-83): Springer, Cham.

4. NOAA. (2015). Methods for the Analysis of Microplastics in the Marine Environmet Recommendations for quantifyling synthetic particles in water and sediments. Retrieved from Technical Menmorandum

5. Razeghi, N., Hamidian, A.H., Mirzajani, A. et al. Sample preparation methods for the analysis of microplastics in freshwater ecosystems: a review. Environ Chem Lett 20, 417–443 (2022). https://doi.org/10.1007/s10311-021-01341-5

6. M. R. Jung, F. Horgen, S. V. Orski, V. C. Rodriguez, K. L. Beers, G. H. Balazs, T. T. Jones, T. M. Work, K. C. Brignac, S. Royer, K. D., Hyrenbach, B. A. Jensen, J. M. Lynch, “Validation of ATR FT-IR to identify polymers of plastic marine debris, including those ingested by marine organisms”, Mar. Pollut. Bull., Vol. 127, pp. 704-716, 2018. 

7. Tiefeng Cui, Wenzhuo Shi, Hongwei Wang, A.N. Lihui, Standardizing microplastics used for establishing recovery efficiency when assessing microplastics in environmental samples, Science of The Total Environment, Volume 827, 2022,

8. Melissa R. Jung, F. David Horgen, Sara V. Orski, Viviana Rodriguez C., Kathryn L. Beers, George H. Balazs, T. Todd Jones, Thierry M. Work, Kayla C. Brignac, Sarah-Jeanne Royer, K. David Hyrenbach, Brenda A. Jensen, Jennifer M. Lynch, Validation of ATR FT-IR to identify polymers of plastic marine debris, including those ingested by marine organisms, Marine Pollution Bulletin, Volume 127, 2018, Pages 704-716.

NGUYỄN HỮU THẮNG1,2, NGUYỄN THỊ HÀ1, DƯƠNG THANH NGHỊ3

1Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội

2 Trung tâm Quan trắc Môi trường Miền Bắc, Cục Kiểm soát ô nhiễm môi trường, Bộ Tài nguyên và Môi trường

3Viện Tài nguyên và Môi trường Biển, VAST, Việt Nam

Nguồn: Tạp chí Tài nguyên và Môi trường số 22 (Kỳ 2 tháng 11) năm 2023

Nguồn tin: tainguyenvamoitruong.vn