Xác định khoáng chất và chất gây ô nhiễm trong nước và thực phẩm với XRF di động

Có phải nước sinh hoạt bạn hay dùng thường ngày chỉ là H₂O? Câu trả lời không đơn giản như vậy; nước có thể chứa các chất hòa tan mà mắt thường không thể thấy được. Các thiết bị huỳnh quang tia X cầm tay (pXRF) như máy phân tích XRF cầm tay Vanta™ của Olympus, có thể giúp xác định các khoáng chất và chất gây ô nhiễm tiềm ẩn trong nước uống của bạn.

Xác định khoáng chất và chất gây ô nhiễm trong nước

Dù nhìn bên ngoài, chúng ta có thể nghĩ rằng nước uống của mình chỉ có H₂O, nhưng thường có những chất khác hòa tan khác trong ly nước của bạn. Một số chất này có lợi cho chúng ta, chẳng hạn như florua, giúp ngăn ngừa sâu răng. Các khoáng chất phổ biến khác bao gồm canxi clorua (CaCl₂ ), một hợp chất chứa chất điện giải, khi có trong nước, có thể giúp ngăn ngừa tình trạng mất nước. Canxi clorua, cùng với các loại clorua phổ biến khác như magie, natri và kali clorua, có thể xâm nhập vào nước uống từ lớp đá địa tầng thông qua các quá trình địa chất. Biểu đồ bên dưới (Hình 1) cho thấy độ chính xác của máy phân tích Vanta pXRF khi đo lượng canxi hòa tan từ 1000 ppm xuống còn 20 ppm.

Tuy nhiên, nước có thể chứa các vật liệu có khả năng gây hại, bao gồm gốc nitrat (NO₃-), mangan (Mn), sắt (Fe) và bicacbonat (HCO₃ -) và các chất khác. Các nguyên tố và hợp chất này có thể gây ra nhiều vấn đề về sức khỏe và cơ sở hạ tầng, bao gồm gây hại cho đường ống và máy nước nóng, đóng cặn và giúp vi khuẩn phát triển.

Các kỹ thuật phân tích nguyên tố, chẳng hạn như phân tích huỳnh quang tia X di động (pXRF) được thực hiện bằng dòng máy Vanta™, có thể được sử dụng để xác định và định lượng một số chất có hại này. pXRF cũng có thể giúp xác định hàm lượng kim loại nặng, một trong những nhóm gây ô nhiễm nước uống lớn nhất và có hại nhất.

Ô nhiễm kim loại nặng trong nước uống

Các kim loại nặng, thường bao gồm crom (Cr), niken (Ni), đồng (Cu), asen (As), cadmium (Cd), thủy ngân (Hg) và chì (Pb), có thể gây ra nhiều vấn đề khác nhau khi có trong nước uống. Những kim loại này có thể xâm nhập vào nước từ các hoạt động của con người và hoạt động địa chất, chẳng hạn như sự phong hóa tự nhiên của đá, nhà máy điện đốt than và khai thác mỏ. Khi những kim loại này xâm nhập vào nước ngầm, chúng có thể làm cho nước có tính axit hoặc kiềm hơn. Do đó, nước có khả năng gây độc hại khi uống và phá hủy đường ống và cơ sở hạ tầng nước khác. Khi thay đổi độ pH của nước, những kim loại này cũng có thể khuyến khích sự phát triển của nhiều loại vi khuẩn có hại.

Nước uống từ nhiều nguồn khác nhau

May mắn thay, hầu hết nước uống và nước vòi đã trải qua một số quy trình lọc hoặc xử lý làm sạch khác nhau. Chúng ta có thể bổ sung nước từ nhiều nguồn:

• Nước vòi
• Chưng cất
• Nước lọc
• Sông suối
• Nước tinh khiết

Là nguồn nước dễ tiếp cận nhất, nước máy sẽ trải qua một vài quy trình xử lý. Từ mạch nước ngầm, một số hóa chất được thêm vào để loại bỏ cặn bẩn và hầu hết các hạt hòa tan khác. Nước trong sau đó được lọc và khử trùng bằng clo, hoặc bổ sung thêm flo ở một số vùng. Nước cất được đun sôi, tạo ra hơi nước, sau đó ngưng tụ lại thành nước có thể uống được, loại bỏ hầu hết các chất gây ô nhiễm. Nước lọc thông qua các thiết bị lọc và xử lý nước, tương tự như nước máy, mặc dù một số loại nước lọc được xử lý bằng ozone để diệt vi khuẩn trước khi đóng chai ở bước thanh lọc cuối cùng. Tương tự như nước lọc, nước suối trải qua bước thanh lọc như nước máy nhưng không xử lý bằng ozone. Cuối cùng, nước tinh khiết bao gồm nhiều kỹ thuật lọc, chẳng hạn như thẩm thấu ngược, chưng cất và khử hay bổ sung ion. Mỗi kỹ thuật này loại bỏ và để lại một số vật liệu hòa tan và chất gây ô nhiễm. Sử dụng máy phân tích Vanta pXRF, chúng tôi có thể xác định vật liệu hòa tan nào chưa được loại bỏ khỏi các loại nước khác nhau này.

Phân Tích Nước Sử Dụng Máy Phân Tích Vanta pXRF

Để cho bạn thấy pXRF hoạt động như thế nào, chúng tôi đã thử nghiệm năm loại nước đã đề cập cùng với một ít nước mưa bằng máy phân tích Vanta, sau đó phân tích định lượng kết quả. Quá trình kiểm tra diễn ra trong một phút, cho phép chúng tôi nhanh chóng xác định các chất gây ô nhiễm và khoáng chất trong nước (Hình 2).

Mặc dù tất cả các loại nước trông giống nhau khi kiểm tra bằng mắt, nhưng các mẫu chứa các chất hòa tan khác nhau. Các loại nước trải qua nhiều bước thanh lọc, chẳng hạn như nước cất và nước tinh khiết, không chứa các khoáng chất, muối hoặc kim loại hòa tan ở mức có thể phát hiện được. Nước gần nguồn hơn, chẳng hạn như nước suối và nước lọc, chứa một số nguyên tố từ vật liệu hữu cơ, chẳng hạn như phốt pho và lưu huỳnh, cũng như muối từ các quá trình địa chất, chẳng hạn như canxi và clo. Nước máy, ngoài việc chứa các chất hữu cơ và muối, còn có một lượng nhỏ (và vẫn an toàn) sắt và kẽm từ đường ống vận chuyển nước. Sắt có thể được cơ thể bạn sử dụng như một khoáng chất cần thiết nhưng cũng có thể để lại các vết đỏ trên thiết bị nước trong nhà bạn. May mắn thay, phép kiểm tra không phát hiện thấy các kim loại nặng trong nước.

Ngoài khả năng đo nồng độ nguyên tố, máy phân tích Vanta™ pXRF có thể tính toán nồng độ của các loại muối khác nhau. Lấy nước suối và nước máy làm ví dụ, máy phân tích Vanta có thể xác định nồng độ canxi clorua trong thời gian thực (Hình 3).

Xác định ô nhiễm kim loại nặng trong nước thải

Máy phân tích Vanta™ pXRF cũng có thể xác định ô nhiễm kim loại nặng trong nước thải hoặc nước được sử dụng cho mục đích công nghiệp và nông nghiệp. Mặc dù một số kim loại nặng có thể được phát hiện trực tiếp bằng máy phân tích Vanta ở mức 1 ppm (1 mg/L) trở lên, nhưng một số chất gây ô nhiễm tồn tại dưới mức đó. Những tiến bộ trong việc chuẩn bị mẫu, chẳng hạn như màng nhựa trao đổi ion rút ngắn thời gian (TIERS) ¹, cho phép máy phân tích Vanta phát hiện nồng độ muối và kim loại nặng xuống mức phần tỷ (ppb) hoặc dưới mức 1 mg/L. Kỹ thuật chuẩn bị mẫu đơn giản và rẻ tiền này có thể khuếch đại nồng độ trong nước từ 100 đến 1000 lần, cho phép giới hạn phát hiện sánh ngang với các kỹ thuật đắt tiền hơn.

Sử dụng TIERS hoặc các màng nhựa trao đổi ion khác đã được chứng minh là hỗ trợ phát hiện việc xả thải bất hợp pháp vào vùng nước công nghiệp và nông nghiệp¹, đánh giá ô nhiễm kim loại nặng ở đất nông nghiệp² và xác định các chất gây ô nhiễm trong các vùng nước lớn hơn³ . Những kỹ thuật này đã dẫn đến sự phát triển của “dấu vân tay nước thải”, cho phép các nhà nghiên cứu xác định các chất ô nhiễm hoặc chất gây ô nhiễm cụ thể đến từ đâu. Khả năng đạt được giới hạn phát hiện ppb với pXRF làm cho nó trở thành một công cụ hữu ích để phân tích nước thải và xác định chất gây ô nhiễm.

Chất gây ô nhiễm trong thực phẩm và đồ uống

Nước không phải là thực phẩm hoặc đồ uống duy nhất có thể bị nhiễm kim loại nặng. Các mặt hàng thường được tiêu thụ khác, chẳng hạn như ngũ cốc và đường, cũng có thể bị nhiễm kim loại nặng. Ngoài việc xác định các kim loại trong thực phẩm, kim loại vi lượng từ các hoạt động của con người và môi trường cũng có thể gây ô nhiễm thực phẩm. Các kim loại, chẳng hạn như sắt và kẽm, có thể vô tình được thêm vào thực phẩm thông qua sự cố của thiết bị máy móc xử lý, chất gây ô nhiễm trong phân bón và các kỹ thuật xay xát và chế biến khác nhau. Chất gây ô nhiễm có thể được thêm vào đường thông qua nước bị ô nhiễm được sử dụng trong quá trình chế biến và chất gây ô nhiễm có trong đất trồng mía. Tương tự như thử nghiệm nước, chúng tôi đã thử nghiệm bột mì, gạo và đường dành cho người tiêu dùng bằng thiết bị Vanta™ pXRF và phân tích định lượng kết quả. Quá trình kiểm tra diễn ra trong một phút, nhanh chóng cung cấp cho chúng tôi thông tin về khả năng nhiễm bẩn trong các nguồn cung cấp thức ăn thông thường này (Hình 4).

Mặc dù không có chất ô nhiễm nào nào có thể nhìn thấy bằng mắt thường, nhưng chúng hiện diện rõ ràng trong những thực phẩm này. Tất cả các nguyên tố được phát hiện đều xuất hiện tự nhiên trong các vật liệu này, đến từ các khoáng chất, muối và chất dinh dưỡng có trong tự nhiên. Máy phân tích Vanta thậm chí có thể được sử dụng để kiểm tra các sản phẩm đa dạng như bột protein hoặc cần sa.

Những phân tích nguyên tố này cho thấy rõ ràng sự nhiễm bẩn trong thực phẩm và đồ uống của người tiêu dùng, chứng minh hiệu suất phân tích của máy phân tích XRF cầm tay Vanta .

Tài liệu tham khảo

1. Shih, P.K., Chiang, L.C., Lin, S.C., Chang, T.K. and Hsu, W.C., 2019. Application of Time-Lapse Ion Exchange Resin Sachets (TIERS) for Detecting Illegal Effluent Discharge in Mixed Industrial and Agricultural Areas, Taiwan. Sustainability, 11(11), p.3129.

2. Huang, J.J.S., Lin, S.C., Löwemark, L., Liou, S.Y.H., Chang, Q., Chang, T.K., Wei, K.Y. and Croudace, I.W., 2019. Rapid assessment of heavy metal pollution using ion-exchange resin sachets and micro-XRF core-scanning. Scientific reports, 9(1), pp.1-6.

3. Pan, S.Y., Syu, W.J., Chang, T.K. and Lee, C.H., 2020. A multiple model approach for evaluating the performance of time-lapse capsules in trapping heavy metals from water bodies. RSC Advances, 10(28), pp.16490-16501.