ĐỀ CƯƠNG HÓA KĨ THUẬT MÔI TRƯỜNG 1 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DUNG CỤ

ĐỀ CƯƠNG HÓA KĨ THUẬT MÔI TRƯỜNG 1 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DUNG CỤ ĐỀ CƯƠNG HÓA KĨ THUẬT MÔI TRƯỜNG 1 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DUNG CỤ ĐỀ CƯƠNG HÓA KĨ THUẬT MÔI TRƯỜNG 1 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DUNG CỤ ĐỀ CƯƠNG HÓA KĨ THUẬT MÔI TRƯỜNG 1 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DUNG CỤ ĐỀ CƯƠNG HÓA KĨ THUẬT MÔI TRƯỜNG 1 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DUNG CỤ ĐỀ CƯƠNG HÓA KĨ THUẬT MÔI TRƯỜNG 1 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DUNG CỤ ĐỀ CƯƠNG HÓA KĨ THUẬT MÔI TRƯỜNG 1 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DUNG CỤ ĐỀ CƯƠNG HÓA KĨ THUẬT MÔI TRƯỜNG 1 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DUNG CỤ ĐỀ CƯƠNG HÓA KĨ THUẬT MÔI TRƯỜNG 1 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DUNG CỤ ĐỀ CƯƠNG HÓA KĨ THUẬT MÔI TRƯỜNG 1 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DUNG CỤ ĐỀ CƯƠNG HÓA KĨ THUẬT MÔI TRƯỜNG 1 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DUNG CỤ ĐỀ CƯƠNG HÓA KĨ THUẬT MÔI TRƯỜNG 1 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DUNG CỤ ĐỀ CƯƠNG HÓA KĨ THUẬT MÔI TRƯỜNG 1 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DUNG CỤ ĐỀ CƯƠNG HÓA KĨ THUẬT MÔI TRƯỜNG 1 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DUNG CỤ ĐỀ CƯƠNG HÓA KĨ THUẬT MÔI TRƯỜNG 1 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DUNG CỤ ĐỀ CƯƠNG HÓA KĨ THUẬT MÔI TRƯỜNG 1 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DUNG CỤ ĐỀ CƯƠNG HÓA KĨ THUẬT MÔI TRƯỜNG 1 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DUNG CỤ

25 1

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH

DUNG CU

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH

DUNG CU

Giáo trình hóa kĩ thuật môi trường

DỤNG CỤ

1

PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DỤNG CỤ

Phương pháp phân tích điện hóa Phương pháp quang phổ (quang học)

Phương phap sắc ky Phương pháp phóng xạ Phương pháp khối phổ

2

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG HỌC

Phương pháp phân tích quang học (hay phân tích phổ) dựa trên việc

đo năng lượng bức xạ Thông số đặc trưng cho năng lượng bức xạ là bước sóng và được xác định bởi:

h h : hằng số Planck, h = 6,63.10 -34 J.s = 6,63.10 -27 erg.s hc

E

λ

=

c : vận tốc ánh sáng, c = 3.10 10 cm/s

λ : Bước sóng ánh sáng

3

Tương tác của bức xạ điện từ với một chất được thể hiện ở hai quá trình:

Quá trình hấp thụ Quá trình phát xạ

Phương Phương pháp pháp hấp hấp thụ thụ Bức xạ điện từ tới từ nguồn sáng sẽ bị chất cần đo hấp thụ và cường độ bức xạ sẽ giảm đi.

Quá trình hấp thụ thường xảy ra khi phân tử chất nghiên cứu ở trang thái năng lương điện tử thấp nhất (trang thái cơ bản) nên có ï g g ï g ä p ( ï g ) khả năng hấp thụ năng lượng của bức xạ điện từ khiến cho cường độ bức xạ giảm đi.

Máy đo ảnh phổ là thiết bị ứng dụng quá trình hấp thụ năng lượng bức xạ từ các tia cực tím hoặc tia hồng ngoại.

Thiết bị đo độ hấp thụ quang gồm các bộ phận sau:

Nguồn sáng ổn định Bộ lọc ánh sáng Ỉ cho phép chọn bước sóng thích hợp cho chất

hi â ứ

4

nghiên cứu Ngăn đo mẫu Thiết bị đo năng lượng Ỉ chuyển đổi tín hiệu quang học thành một tín hiệu nào đó có thể nhận biết được.

Sơ đồ tổng quát của các thiết bị đo quang ứng dụng quá trình hấp thụdựa trên nguyên tắc cơ bản sau:

25 3

Sơ

Sơ đồ đồ tổng tổng quát quát của của thiết thiết bị bị đo đo độ độ hấp hấp thụ thụ quang quang

5

Dạng ngoài của máy spectrophotometer

6

Sơ đồ quang học của máy spectrophotometer

7

Ưùng dụng của phương pháp phổ hấp thụ trong phân tích môi trường

Chất cần phân tích Thuốc thử Bước sóng (nm) Không khí

As Bạc dietyldithiocacbaminat 538

H 2 S FeCl 3 , dimetyl-p-phenylendiamin 670

NO, NO 2 Axit sunfanilic, N-1-Naphtyll-etilendiamin-2HCl 550

Nước

8

NO 3 - , NO 2 - Sunfanilamit, N-1-naphtyl-etilendiamin-2HCl 520 Phenol Ferixyanua kiềm, 4-amin-antipirin 460,510

25 5

Phương pháp phát xạ

Chất nghiên cứu cũng phát ra bức xạ điện từ và vì vậy sẽ làm tăng cường độ bức xạ phát ra từ nguồn.

Quá trình phát xạ thường xảy ra khi chất nghiên cứu chứa những phân tử ở trạng thái kích thích, những phân tử này có thể trở lại trạng thái cơ bản và khi đó sẽ phát ra bức xạ điện từ khiến cho cường độ bức xạ điện từ tăng lên.

Máy quang phổ là thiết bị ứng dụng quá trình phát xạ nguyên tử.

Trong phân tích quang phổ chia ra:

Phương pháp quang phổ nhìn bằng mắt Phương pháp quang phổ chụp ảnh Phương pháp quang điện

Thiết bị phân tích quang phổ gồm các bộ phân sau:

9

Hệ thống chiếu sáng: gồm nguồn kích thích quang phổ và hệ thống tụ quang.

Hệ thống tán sắc: gồm khe quang phổ và hệ thống vật kính và phần tử tán sắc.

Hệ thống nhận.

Quang Quang phổ phổ ngọn ngọn lửa lửa

Phương pháp này ứng dụng trong phân tích nước để xác định nồng độ các kim loại kiềm, kiềm thổ như Na, K, Ca.

Phương pháp này ứng dụng ngọn lửa làm nguồn kích thích nguyên tử

ở trang thái hoat động ï g ï ä g

Sơ đồ nguyên lý của thiết bị quang phổ ngọn lửa được mô tả như sau:

10

Quang Quang phổ phổ phát phát xạ xạ

Phương pháp này được phát triển dựa trên phương pháp quang phổ ngọn lửa với nhiều kiểu thiết bị chuyên dùng như:

Nguồn hồ quang: nguồn này sử dung sư phóng điện giữa 2 g q g g y ï g ï p g ä g cực chế tạo từ mẫu phân tích hoặc một cực là chất phân tích còn cực kia được chế tạo từ chất liệu không chứa chất phân tích.

Nguồn tia lửa điện: ứng dựng sự phóng điện giữa 2 điện cực

Ỉthường dùng trong phân tích quang phổ định lượng Nguồn plasmatron: là loại nguồn đốt đặc biệt với 2 điện cực

11

graphit Ỉ nguộn tạo nhiệt độ cao và năng lượng lớn có khả năng kích thích hầu hết các chất khó bay hơi, khó kích thích

Quang Quang phổ phổ hấp hấp thụ thụ nguyên nguyên tử tử

Phương pháp này ứng dụng trong phân tích nước để xác định nồng độ các kim loại Cu, Zn, Ni, Mg, Cd, Hg, Au,

Phương pháp hấp thụ nguyên tử dựa vào khả năng hấp thụ chọn lọc các bức xa cộng hưởng của nguyên tử ở trang thái tư do

cac bưc xạ cộng hương cua nguyen tư ơ trạng thai tự do.

12

25 7

Phương pháp này ứng dụng trong phân tích độ đục mẫu nước và chất rắn lơ lửng dựa trên nguyên tắc ánh sáng bị tán sắc khi qua mẫu thí nghiệm

Phương pháp tán xạ

13 13

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐIỆN HÓA

Phương pháp phân tích điện hóa dựa trên sự ứng dụng của các quá trình điện hóa.

Trước đây phương pháp này được ứng dụng để đo pH của dung dịch Ngày nay, phương pháp thế điện cưc còn đươc cải tiến thành các thiết bị ứng dung để đo độ phương phap the điện cực con được cai tien thanh cac thiet bị ưng dụng đe đo độ dẫn điện, hàm lượng TDS (Total Dissolve Solid), hàm lượng DO (Dissolve Oxygen),

Phân loại các phương pháp phân tích điện hóa:

Phân tích điện khối lượng Ỉ tách từ dung dịch chất điện ly nững chất kết tủa trên các điện cực khi cho dòng điện một chiều đi qua.

Phương pháp điện dẫn Ỉ đo độ dẫn điện của dung dịch phân tích.

14

Phương phap điện the Ỉ đo the đien cực nhung vao dung dịch phan tích.

Phương pháp cực phổ Ỉ đo cường độ dòng điện bị biến đổi.

Phương pháp điện lượng Ỉ đo lượng điện tiêu tốn cho sự điện phân

14

Phương pháp phân tích điện thế là phương pháp xác định nồng độ các ion dựa vào sự thay đổi thế điện cực khi nhúng vào dung dịch phân tích.

Phương trình Nernst mô tả mối quan hệ giữa thế điện cực với hoạt động (hay nồng độ) của cấu tử trong một hệ oxy hóa – khử thuận nghịch

nong độ) cua cau tư trong một hệ oxy hoa – khư thuận nghịch.

[ ] [ ]

ln ln oxh

o oxh o

kh kh

a

Trong đó:

E o : điện thế oxi hóa – khử tiêu chuẩn của hệ

R : hằng số khí lý tưởng

15

T : nhiệt độ tuyệt đối

F : hằng số Faraday

z : số điện tử tham gia trong phản ứng điện cực

a oxh , a kh : hoạt độ của các chất oxy hóa và chất khử

f oxh, f kh : hệ số hoạt độ của chất oxy hóa và chất khử [Oxh], [Kh} : nồng độ của chất oxy hóa và chất khử

Ví dụ

dung dịch.

-ln

o

RT

zF

−

ln

o

RT

F

−

16

E SCE : điện thế điện cực so sánh

25 9

Điện cực khí

Điện cực được cấu tạo bởi kim loại trơ như: Pt, Au, Tiếp xúc đồng thời với khí và dung dịch chứa ion tương ứng với khí này.

Ví dụ: điện cực H 2 gồm dây Pt tiếp xúc với khí H 2 với áp suất của H 2 =

1 atm và được nhúng vào dung dịch chứa ion H + Do Pt có khả năng hấp thụ mạnh H 2 , hệ thống trên được xem tương đương với trường hợp một thanh H2 nhúng vào trong dung dịch H +

Sơ đồ điện cực: Pt(H 2 )/H 2 ([H + ]) Phản ứng điện cực: 2H + + 2e - Ỉ H 2 Ngoài điện cực khí hydro còn có điện cực khí Cl 2 , O 2 với cấu tạo và nguyên tắc hoat động hoàn toàn tương tư

17

nguyen tac hoạt động hoan toan tương tự.

Điện cực kim loại

Điện kim loại loại 1 Điện cực kim loại loại một là điện cực được chế tạo từ bản kim loại hay dây kim loại không trơ M nhúng trong dung dịch chứa muối tan

M n+ của kim loại đó

Sơ đồ điện cực: M/([M n+ ]) Phản ứng điện cực : M - ne - Ỉ M n+

Các điện cực kim loại loại một được chế tạo từ Ag, Hg, Cd

Điện cực kim loại loại 2 Cấu tao của điện cưc kim loai loai hai bao gồm kim loai M mà mặt

18

Cau tạo cua điện cực kim loại loại hai bao gom kim loại M ma mặt ngoài được phủ một lớp chất ít tan MA của kim loại đó và được nhúng vào trong dung dịch muối có chứa anion A n-Ỉdùng để xác định nồng độ ion A n-

Sơ đồ điện cực: M,MA↓/A

n-Phản ứng điện cực : MA + ne - Ỉ M + A

n-Điện cực oxy hóa Điện cực oxy hóa khử khử

Điện cực oxy hóa – khử được cấu tạo bởi kim loại trơ (Au, Pt, Pd) nhúng trong dung dịch ion dạng oxy hóa – khử.

Ví dụ điện cực Pt nhúng vào dung dịch chứa FeCl3 và FeCl2

Phản ứng điện cực: Fe3+ + e- Ỉ Fe2+

Trong ví dụ trên, điện cực Pt được sử dụng làm chất chỉ thị cho canb bằng chuẩn độ oxy hóa khử với chất chuẩn là Fe 3+ hoặc Fe 2+ Một vài ion oxy hóa khử đươc sử dung như là

19

Một vai ion oxy hoa khư được sư dụng như la chất chỉ thị mô tả thời điểm diễn ra phản ứng oxy hóa khử đặc biệt trong hệ thống xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học (quá trình hiếu khí và oxy hóa hoặc quá trình kỵ khí và khử).

Điện cực kim loại trong dung dịch muối nồng độ thấp

Loại điện cực này là một dạng của điện cực của kim loại loại hai được cấu tạo gồm kim loại, bên ngoài được phủ một lớp chất ít tan của kim loại đó nhúng trong dung dịch muối ở nồng độ thấp.

Ví du như điện cưc calomel đươc cấu tao gồm Hg calomel (Hg 2 Cl 2 ) và

Ví dụ như điện cực calomel được cau tạo gom Hg, calomel (Hg 2 Cl 2 ) va KCl

Sơ đồ điện cực: Hg/Hg 2 Cl 2 /KCl Phản ứng điện cực: Hg + + Cl - Ỉ1/2Hg 2 Cl 2 + e

-Điện cưc loai này thường dùng để xác định hàm

20

ệ cực oạ ay t ươ g du g đe ac đị a lượng muối trong dịch dịch

25 11

Điện Điện cực cực màng màng

Một trong các loại điện cực thường được sử dụng để đo các chỉ tiêu chất lượng nước là điện cực màng.

Các điện cực màng thông thường là các bán pin có lớp màng phân cách dung dịch nghiên cứu với một dung dịhc chuẩn ở bên trong

dung dịch nghien cưu vơi một dung dịhc chuan ơ ben trong.

điện cực màng hiện nay được ứng dụng rộng rãi để đo pH của dung dịch.

Phân loại điện cực màng:

Điện cực màng thủy tinh Điện cực màng tinh thể

û

21

Điện cực màng lỏng

Ví dụ điện cực màng Đơn tinh thể LaF 3 Đa tinh thể Ag 2 S Màng thủy tinh silicate Màng lỏng

Công dụng Xác định F - Xác định S 2- và

Ag + Xác định Na +

và H + Xác định Ca 2+

và K +

Điện Điện cực cực màng màng thủy thủy tinh tinh

Đây là loại điện cực thông dụng nhất dụng nhất.

Điện cực màng thủy tinh đo pH Phổ biến nhất là thủy tinh chứa khoảng 22% Na 2 O, 6% C O ø 72% SiO ù kh û ê đ åi h l 6% CaO và 72% SiO 2 có khả năng trao đổi chọn lọc ion H + đến pH xấp xỉ 9

Khuyết điểm của điện cực thủy tinh đo pH là sai số âm ở pH cao (khi pH >11)

Ngoài điện cực màng thủy tinh đo

pH, người ta còn chế tao đươc các

22

p , gươ ta co c e tạo được cac điện cực màng thủy tinh dùng để xác định các ion như: Na + , K + ,

NH +

4 , Cs + , Li + và Ag

-Điện Điện cực cực màng màng lỏng lỏng

Điện cực màng lỏng ngày càng được phát triển hơn và sử dụng rộng rãi hơn điện cực thủy tinh.

Điện cưc này dùng để xác định trưc tiếp điện Điện cực nay dung đe xac định trực tiep điện thế của các cation nhiều hóa trị cũng như một số anion và cation một hóa trị.

Các màng lỏng được chế tạo từ các chất trao đổi ion lỏng giữ trên chất mang rắn, trơ và xốp.

Các chất màng lỏng thuộc một trong ba loại:

23

Chất trao đổi cation Chất trao đổi anion Các hợp chất macrocyclic trung hòa

Điện Điện cực cực màng màng tinh tinh thể thể

Điện cực màng tinh thể được chế tạo từ một hợp chất ion hoặc là một hổn hợp đồng thể của các hợp chất ion

Nhược điểm của loại điện cực này là độ dẫn điện bé ở nhiệt độ phòng Để cải thiện độ dẫn điện này người ta thường thêm vào mạng tinh thể một lượng nhỏ ion hóa trị một để làm tăng độ linh động của pha rắn Các ion thường dùng là

F-(trong các fluoride đất hiếm), Ag+(trong halogenur Ag và

Ag2S), Cu+(trong Cu2S).

LaF3là một loai chất khá lý tưởng sử dung để chế tao điện

24

cực màng tinh thể dùng cho việc xác định F-.

25 13

Đầu Đầu dò dò khí khí

Là thiết bị có tính chọn lọc và độ nhạy cao dùng để xác định khí hòa tan hoặc các ion có thể chuyển thành khí hòa tan khi hiệu chỉnh pH của môi trường như: HCO 3 -ỈCO 2 , CN -ỈHCN, F -ỈHF, NH +

4ỈNH 3 , ) Bộ phận chính của đầu dò khí là một lớp màng vi xốp mỏng đươc lắp Bộ phận chính cua đau do khí la một lơp mang vi xop mong được lap vào phần cuối của đầu dò và có thể thay thế một cách dể dàng.

Trong thiết bị còn có một điện cực thủy tinh và một điện cực chuẩn Ag/AgCl.

Sử dụng đầu dò khí trong lĩnh vực môi trường.

Xác định hàm lượng O 2 trong các bể xử lý sinh học hiếu khí.

Xác định hàm lương CL dư (trong xử lý nước thải và nước cấp) và

25

Xac định ham lượng CL 2 dư (trong xư ly nươc thai va nươc cap) va

F 2 (trong xử lý nước cấp).

Xác định các chỉ tiêu ô nhiễm không khí như: CO, No x , SO x, ,