Thẩm định phương pháp xác định hạt vi nhựa trong mẫu nước, ứng dụng phân tích mẫu nước biển Cần Giờ :Luận văn thạc sĩ - Chuyên ngành: Hóa phân tích

BỘ CÔNG THƢƠNG

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐINH VĂN HIỆP

THẨM ĐỊNH PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HẠT

VI NHỰA TRONG MẪU NƢỚC, ỨNG DỤNG

PHÂN TÍCH MẪU NƢỚC BIỂN CẦN GIỜ

Chuyên ngành: HÓA PHÂN TÍCH

Mã chuyên ngành: 8440118

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2021

Công trình đƣợc hoàn thành tại phòng thí nghiệm Khoa Công nghệ Hóa học Trƣờng

Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh và Trung tâm dịch vụ phân tích và thí

nghiệm thành phố Hồ Chí Minh (CASE).

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Lê Đình Vũ

Luận v n thạc s đƣợc ảo vệ tại Hội đồng ch m ảo vệ Luận v n thạc s Trƣờng

Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày 22 tháng 11 n m 2021

Thành phần Hội đồng đánh giá luận v n thạc s gồm:

1. PGS.TS. Nguyễn V n Cƣờng .........................- Chủ tịch Hội đồng

2. PGS.TS. Nguyễn Ngọc Tu n ..........................- Phản iện 1

3. TS. Lê Ngọc Tứ...............................................- Phản iện 2

4. TS. Nguyễn V n Trọng ...................................- Ủy viên

5. TS. Cao Xuân Thắng.......................................- Thƣ ký

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

PGS.TS. Nguyễn V n Cƣờng PGS.TS. Nguyễn V n Cƣờng

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: ĐINH VĂN HIỆP MSHV: 18104931

Ngày, tháng, n m sinh: 21/10/1983 Nơi sinh: Đồng Nai

Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã chuyên ngành: 60440118

I. TÊN ĐỀ TÀI:

Thẩm định phƣơng pháp xác định hạt vi nhựa trong mẫu nƣớc, ứng dụng phân tích

mẫu nƣớc iển Cần Giờ.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Đánh giá các tiêu chí thẩm định phƣơng pháp phân tích hạt vi nhựa trong nƣớc

Ứng dụng phƣơng pháp phân tích để xác định hạt vi nhựa trong mẫu nƣớc iển Cần

giờ

Phân tích kết quả thực nghiệm.

II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Theo QĐ số 1119/QĐ-ĐHCN ngày 14/06/2019

III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 14/09/2021

IV. NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Lê Đình Vũ

Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2021

NGƢỜI HƢỚNG DẪN

(Họ tên và chữ ký)

TS. Lê Đình Vũ

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

TS. Nguyễn Quốc Thắng

TRƢỞNG KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

(Họ tên và chữ ký)

PGS.TS. Nguyễn V n Cƣờng

BỘ CÔNG THƢƠNG

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

i

LỜI CẢM ƠN

Luận v n thạc s với đề tài ―Thẩm định phƣơng pháp xác định hạt vi nhựa trong

mẫu nƣớc, ứng dụng phân tích mẫu nƣớc iển Cần Giờ‖ là kết quả quá trình học

tập, cố gắng không ngừng của ản thân. Để có đƣợc kết quả này tôi đã đƣợc sự giúp

đỡ, động viên khích lệ của thầy, cô, đồng nghiệp và ngƣời thân trong suốt thời gian

học tập, nghiên cứu vừa qua.

Tôi xin tỏ lòng kính trọng và iết ơn sâu sắc đối với TS. Lê Đình Vũ đã trực tiếp tận

tình hƣớng dẫn tôi thực hiện đề tài này.

Xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Khoa Công nghệ Hóa học, Trƣờng Đại học Công

nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt luận v n

này.

Sau cùng, tôi gửi lời chân thành cảm ơn tới Ban giám đốc Trung tâm dịch vụ phân

tích thí nghiệm Thành phố Hồ Chí Minh cùng các đồng nghiệp ở Phòng Công

nghiệp Tài nguyên và các ạn học đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và thực

hiện luận v n này.

Học viên

Đinh Văn Hiệp

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Trong nghiên cứu này, chúng tôi thực hiện thẩm định phƣơng pháp phân tích hạt vi

nhựa trong mẫu nƣớc ằng phƣơng pháp hiển vi huỳnh quang kết hợp quang phổ

hồng ngoại FTIR, ứng dụng phƣơng pháp để xác định hạt vi nhựa trong mẫu nƣớc

iển Cần Giờ.

Phƣơng pháp hiển vi huỳnh quang với thuốc nhuộm Nile red kết hợp quang phổ

FTIR đƣợc đánh giá có độ đặc hiệu, độ thu hồi và độ lặp lại cao. Các vi nhựa nhƣ

polyamide nylon 6 (PA 6), polyethylen (PE), polyetylen terephtalat (PET),

polyvinyl chloride (PVC), poly(methyl methacrylate) (PMMA) sau khi nhuộm Nile

red cho hình ảnh huỳnh quang sáng, rõ nét và dễ phân iệt so với polyme tự nhiên

nhƣ chitin. Quang phổ FTIR đƣợc kết hợp cho phép xác định c u trúc từng loại

polyme với các dao động đặc trƣng. Độ thu hồi của phƣơng pháp đạt từ 88,3 -

100%, với độ lặp lại nhỏ hơn 19,4 % (n = 6).

Tổng số 60 mẫu nƣớc ở 3 vị trí của iển Cần Giờ đƣợc phân tích, kết quả PE (4,3 ±

0,6 MPs/L), PET (3,5 ± 0,7 MPs/L), PA (1,6 ± 0,4 MPs/L), PVC (1,2 ± 0,3 MPs/L),

PP (1.5 ± 0.3 MPs/L), PS (0,9 ± 0,3 MPs/L) và PMMA hầu nhƣ không có. Về mặt

hình thái phần lớn nhựa tìm đƣợc có dạng sợi. Kiểm định thống kê ANOVA và

Tukey (post - hoc test) với độ tin cậy 95% cho th y nồng độ vi nhựa tại 3 vị trí là

tƣơng đồng.

Phƣơng pháp hiển vi huỳnh quang kết hợp với quang phổ hồng ngoại cho phép

phân tích vi nhựa trong nƣớc iển một cách dễ dàng, chính xác và có thể ứng dụng

trong thực tế để kiểm soát ô nhiễm vi nhựa trong nƣớc iển. Ngoài ra phƣơng pháp

này còn có thể đƣợc phát triển để phân tích vi nhựa trong các nền mẫu khác.

Từ Khóa: hạt vi nhựa, nile red, hiển vi huỳnh quang.

iii

ABSTRACT

An analytical method has been validated in this project for detemining marine

microplastics by fluorescence microscopy combined with FTIR infrared

spectroscopy. The procedure was applied to analyse microplastics pollution in Can

Gio seawater.

Fluorescence microscopy method with Nile red dye combined with FTIR

spectroscopy showed high specificity, recovery and repeatability. After staining

with Nile red, microplastics such as polyamide nylon 6 (PA 6), polyethylen (PE),

polyetylen terephtalat (PET), polyvinyl chloride (PVC), poly(methyl methacrylate)

(PMMA) gave bright, clear and easily distinguishable fluorescence images. These

images were different to natural polymers such as chitin. This method combined

FTIR spectroscopy allows the identification structure of each type of polymer with

characteristic vibrations. The obtained recovery of the method ranges from 88.3 -

100%, and the repeatability is less than 19.4 % (n = 6).

A total of 60 water samples in three locations of Can Gio Sea were analysed. The

results showed that PE was 4.3 ± 0.6 MPs/L; PET: 3.5 ± 0.7 MPs/L; PA: 1.6 ± 0.4

MPs/L; PVC: 1.2 ± 0.3 MPs/L; PP: 1.5 ± 0.3 MPs/L, PS: 0.9 ± 0.3 MPs/L; and

there wasn‘t almost PMMA . Microplastics morphologically were the most of

fibres. ANOVA and Tukey statistical tests (post-hoc test) at 95% confidence

showed that the concentrations of microplastics at 3 locations were similar.

The fluorescence microscopy method combined with infrared spectroscopy allows

the analysis of microplastics in seawater easily, accurately. This method and can be

applied to control microplastic pollution in seawater and can be developed for

microplastic analysis in other matrice samples.

Keywords: microplastic, nile red, fluorescence microscopy

iv

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là Đinh Văn Hiệp học viên cao học ngành Hóa phân tích, lớp CHHOPT8B,

Trƣờng Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh.

Tôi cam đoan những kết quả nghiên cứu đƣợc trình ày trong luận v n là công trình

của riêng tôi và giảng viên hƣớng dẫn của TS. Lê Đình Vũ, Khoa Công nghệ Hóa

học, Trƣờng Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh. Những kết quả nghiên

cứu của các tác giả khác đƣợc sử dụng trong luận v n đều có trích dẫn đầy đủ.

Học viên

Đinh Văn Hiệp

v

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ............................................................................ ii

ABSTRACT.............................................................................................................. iii

LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... iv

MỤC LỤC...................................................................................................................v

DANH MỤC HÌNH ẢNH ....................................................................................... vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................... viii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.................................................................................... ix

MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1

1. Đặt v n đề ...............................................................................................................1

2. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................2

3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu...........................................................................3

4. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu .............................................................3

5. Ý ngh a thực tiễn của đề tài.....................................................................................3

CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU .............................5

1.1 Tổng quan về vi nhựa ....................................................................................5

1.1.1 Giới thiệu chung về nhựa........................................................................5

1.1.2 Nguồn phát sinh và sự phân ố vi nhựa trong môi trƣờng .....................6

1.1.3 Tác động của MPs đến hệ sinh thái và sức khỏe con ngƣời.................11

1.1.4 Hiện trạng sử dụng nhựa và phát thải nhựa tại Việt Nam ....................19

1.2 Tổng quan về các phƣơng pháp phân tích vi nhựa......................................21

1.2.1 Phƣơng pháp hiển vi huỳnh quang với thuốc nhuộm Nile Red............21

1.2.2 Phƣơng pháp quang phổ hồng ngoại iến đổi Fourier FTIR................23

1.2.3 Phƣơng pháp quang phổ Raman ...........................................................24

1.2.4 Phƣơng pháp Py – GC/MS ...................................................................25

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc và quốc tế...............................................26

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc .........................................................26

vi

1.3.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc.........................................................28

CHƢƠNG 2 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM .............32

2.1 Hóa ch t, dụng cụ, thiết ị...........................................................................32

2.1.1 Hóa ch t ................................................................................................32

2.1.2 Thiết ị và dụng cụ ...............................................................................34

2.2 Nội dung nghiên cứu ...................................................................................35

2.2.1 Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến ảnh huỳnh quang..........................35

2.2.2 Thẩm định phƣơng pháp phân tích .......................................................38

2.2.3 Phân tích mẫu thực ...............................................................................44

CHƢƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN..........................................................45

3.1 Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến ảnh huỳnh quang....................45

3.1.1 Kết quả khảo sát dung môi mang Nile red ...........................................45

3.1.2 Kết quả khảo sát nồng độ Nile red........................................................46

3.1.3 Kết quả khảo sát độ nhạy của các ộ lọc huỳnh quang ........................50

3.2 Mô tả quy trình phân tích ............................................................................55

3.3 Kết quả thẩm định phƣơng pháp phân tích..................................................58

3.3.1 Kết quả khảo sát độ đặc hiệu của phƣơng pháp ...................................58

3.3.2 Kết quả khảo sát độ thu hồi và độ lặp lại của phƣơng pháp .................65

3.4 Kết quả phân tích mẫu thực.........................................................................71

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................77

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA HỌC VIÊN ............................79

TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................80

PHỤ LỤC..................................................................................................................91

Phụ lục 1: Kết quả khảo sát dung môi mang Nile red...............................................92

Phụ lục 2: Số liệu khảo sát độ thu hồi và độ lặp lại ..................................................95

Phụ lục 3: Số liệu phân tích vi nhựa trong mẫu nƣớc iển Cần Giờ ........................97

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN .......................................................110

vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sơ đồ nguồn gốc và phân loại polyme .........................................................6

Hình 1.2 Cánh đồng phủ PMF và cánh đồng mùn nhựa [17].....................................8

Hình 1.3 Minh họa mô tả ái lực của các MPs đối với các ch t ô nhiễm [45]...........15

Hình 1.4 Chu trình của MPs và tác động của nó đối với hệ sinh thái iển [58]. ......18

Hình 1.5 Biểu đồ nguyên liệu nhập khẩu theo khối lƣợng n m 2015 ......................20

Hình 1.6 Biểu đồ iểu diễn tỷ phần các l nh vực chủ yếu của sản phẩm nhựa.........20

Hình 1.7 Công thức c u tạo của Nile red (nguồn Sigma - Aldrich) .........................21

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi huỳnh quang [69]. ...............22

Hình 1.9 Sơ đồ khối của ộ lọc huỳnh quang [69]. ..................................................23

Hình 2.1 Kính hiển vi huỳnh quang và hệ thống ATR-FTIR ...................................35

Hình 2.2 Số hạt PE thêm vào: 3 – 5 – 10 hạt ............................................................41

Hình 2.3 Số hạt PVC thêm vào: 3 – 5 – 10 hạt.........................................................42

Hình 2.4 Mẫu trắng thêm chuẩn 3 hạt PE.................................................................42

Hình 2.5 Vị trí l y mẫu dự kiến ................................................................................44

Hình 3.1 Nhựa PA 6 đƣợc nhuộm với nồng độ NR t ng dần ...................................47

Hình 3.2 Màng lọc GF chứa PA 6 nhuộm với nồng độ NR t ng dần.......................47

Hình 3.3 Ảnh huỳnh quang nhựa PA 6 ở nồng độ NR 0,05 mg/L, ộ lọc 1.............49

Hình 3.4 Ảnh huỳnh quang nhựa PA 6 ở nồng độ NR 0,05 mg/L, ộ lọc 2.............49

Hình 3.5 Ảnh huỳnh quang nhựa PA 6 ở nồng độ NR 0,05 mg/L, ộ lọc 3.............50

Hình 3.6 Sơ đồ quy trình phân tích MPs trong nƣớc ................................................57

Hình 3.7 Phổ ATR – FTIR của PA 6 sau khi nhuộm NR.........................................60

Hình 3.8 Phổ ATR – FTIR của PE sau khi nhuộm NR ............................................60

Hình 3.9 Phổ ATR – FTIR của PET sau khi nhuộm NR..........................................61

Hình 3.10 Phổ ATR – FTIR của PVC sau khi nhuộm NR .......................................61

Hình 3.11 Phổ ATR – FTIR của PMMA sau khi nhuộm NR...................................62

Hình 3.12 Phổ ATR – FTIR của Chitin sau khi nhuộm với NR...............................62

Hình 3.13 Một số hình ảnh MPs nƣớc iển Cần Giờ................................................72

Hình 3.14 Phổ ATR – FTIR của MPs iển Cần Giờ ................................................73

Hình 3.15 Biểu đồ iểu diễn nồng độ MPs trong mẫu nƣớc iển Cần Giờ ..............74

viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Rác thải nhựa đƣợc tìm th y trong môi trƣờng iển [1]............................10

Bảng 1.2 Tác dụng của vi nhựa đến một số loài sinh vật [1]....................................13

Bảng 1.3 Ch t ô nhiễm MPs h p phụ đƣợc tích lũy trong các sinh vật iển ...........17

Bảng 2.1 Bố trí thí nghiệm khảo sát dung môi mang NR.........................................36

Bảng 2.2 Bố trí thí nghiệm khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ NR ............................37

Bảng 2.3 Bố trí thí nghiệm khảo sát độ nhạy của các ộ lọc huỳnh quang ..............38

Bảng 2.4 Bố trí thí nghiệm khảo sát độ đặc hiệu ......................................................39

Bảng 2.5 Bố trí thí nghiệm khảo sát độ thu hồi và độ lặp lại....................................43

Bảng 3.1 Ảnh huỳnh quang nhựa PE nhuộm ởi NR trong 3 loại dung môi ...........46

Bảng 3.2 Ảnh huỳnh quang của nhựa PA 6 theo nồng độ NR .................................48

Bảng 3.3 Ảnh huỳnh quang của nhựa PA 6 theo thời gian phơi sáng ......................51

Bảng 3.4 Ảnh huỳnh quang của nhựa PE theo thời gian phơi sáng..........................51

Bảng 3.5 Ảnh huỳnh quang của nhựa PET theo thời gian phơi sáng .......................52

Bảng 3.6 Ảnh huỳnh quang của nhựa PVC theo thời gian phơi sáng.......................52

Bảng 3.7 Ảnh huỳnh quang của nhựa PMMA theo thời gian phơi sáng ..................53

Bảng 3.8 Ảnh huỳnh quang của 3 ộ lọc ở mốc thời gian phơi sáng 10 ms.............54

Bảng 3.9 Kết quả khảo sát độ đặc hiệu .....................................................................58

Bảng 3.10 Ảnh huỳnh quang mẫu hỗn hợp gồm nhựa và chitin...............................59

Bảng 3.11 Dao động đặc trƣng của các polyme........................................................63

Bảng 3.12 Ảnh huỳnh quang của các hạt PE tìm lại.................................................66

Bảng 3.13 Ảnh huỳnh quang của các hạt PVC tìm lại..............................................67

Bảng 3.14 Kết quả khảo sát độ thu hồi và độ lặp lại vi nhựa PE..............................68

Bảng 3.15 Kết quả khảo sát độ thu hồi và độ lặp lại vi nhựa PVC...........................69

Bảng 3.16 Vị trí l y mẫu khu vực iển Cần Giờ.......................................................71

Bảng 3.17 Sồ liệu tổng quát mẫu nƣớc iển Cần Giờ...............................................74

Bảng 3.18 Kết quả kiểm định Anova ........................................................................75

Bảng 3.19 Kết quả kiểm định Tukey (post - hoc test) ..............................................76

ix

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

%R Recovery – Độ thu hồi

FTIR Fourier-transform infrared spectroscopy – Quang phổ hồng ngoại iến

đổi Fourier

LDPE Low Density Polyethylen – Nhựa LDPE

MPs Microplastic – Vi nhựa

NPs Nanoplastic – Vi nhựa kích thƣớc nano

NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration – Cơ quan quản lý

khí quyển và đại dƣơng Hoa Kỳ

NR Nile red – Thuốc nhuộm huỳnh quang Nile red

PA 6 Polyamide Nylon 6 – Nhựa PA 6

PAH Polycyclic Aromatic Hydrobon – Hydrocac on thơm đa vòng

PE Polyethylen – Nhựa PE

PET Polyetylen Terephtalat – Nhựa PET

PMMA Poly(methyl methacrylate) – Nhựa PMMA

POP Persistent Organic Pollutants – Ch t ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy

PP Polypropylen – Nhựa PP

PS Polystyren – Nhựa PS

PVC Polyvinyl Chloride – Nhựa PVC

RSD Relative Standard Deviation – Độ lệch chuẩn tƣơng đối

SD Standard Deviation – Độ lệch chuẩn