CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH hóa lý NHÓM 13 ĐHHO8ALT

HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC TIỂU LUẬN MÔN CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HÓA LÝ ĐỀ TÀI: KỸ THUẬT PHÂN TÍCH TRẮC QUANG VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG TRONG PHÂN TÍCH CÁC CHỈ TIÊU MÔI TRƯỜNG NƯỚC Fe, Mn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

TIỂU LUẬN MÔN CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HÓA LÝ

ĐỀ TÀI:

KỸ THUẬT PHÂN TÍCH TRẮC QUANG VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG TRONG PHÂN TÍCH CÁC CHỈ TIÊU MÔI TRƯỜNG NƯỚC (Fe, Mn)

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN NGỌC VINH

NHÓM : 13

LỚP: ĐHHO8ALT

KHÓA: 2012 – 2014

Tp Hồ Chí Minh, Tháng 3 Năm 2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

TIỂU LUẬN MÔN CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HÓA LÝ

ĐỀ TÀI:

KỸ THUẬT PHÂN TÍCH TRẮC QUANG VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG TRONG PHÂN TÍCH CÁC CHỈ TIÊU MÔI TRƯỜNG NƯỚC (Fe, Mn)

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN NGỌC VINH

NHÓM : 13

LỚP: ĐHHO8ALT

KHÓA: 2012 – 2014

Tp Hồ Chí Minh, Tháng 3 Năm 2014

DANH SÁCH NHÓM 13

Stt Họ đệm Tên Mã số sinh viên

1 Nguyễn Hữu Nghĩa 12071681

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SẮT VÀ MANGAN 2

1.1 Tổng quan 2

1.2 Đặc trưng và tác hại nguồn nước nhiễm sắt, mangan [2], [7] 2

1.2.1 Đặc trưng nguồn nước nhiễm sắt, mangan 2

1.2.1.1 Sắt 2

1.2.1.2 Mangan 3

1.2.2 Tác hại sắt và mangan đối với đời sống con người 4

1.2.2.1 Sắt 4

1.2.2.2 Mangan 4

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH SẮT, MANGAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRẮC QUANG VÀ PHỔ NGUYÊN TỬ 6

2.1 Các phương pháp phổ nguyên tử xác định hàm lượng Fe, Mn 6

2.1.1 Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử (AES) [1] 6

2.1.2 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) [6] 6

2.2 Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV – VIS 8

2.2.1 Giới thiệu phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV – VIS [4] 8

2.2.2 Các điều kiện tối ưu của một phép đo quang [4] 9

2.2.2.1 Sự đơn sắc của bức xạ điện từ 9

2.2.2.2 Bước sóng tối ưu – bước sóng cực đại λ max 10

2.2.2.3 Khoảng tuyến tính của định luật Lambert – Beer 10

2.2.2.4 Các yếu tố khác 10

2.2.3 Các phương pháp phân tích định lượng [4] 10

2.2.3.1 Phương pháp đường chuẩn 10

2.2.3.2 Phương pháp thêm chuẩn 11

2.2.3.3 Phương pháp vi sai 12

2.2.4 Các phương pháp xác định sắt Fe(II) [4] 12

2.2.4.1 Xác định hàm lượng sắt bằng thuốc thử thioxianat 12

2.2.5 Các phương pháp xác định mangan Mn(II) bằng phương pháp trắc quang [5] 14

2.2.5.1 Xác định Mn(II) dựa vào màu của ion MnO4- 15

2.2.5.2 Xác định Mn(II) dựa vào màu của pyrophotphat manganit 16

2.2.5.3 Xác định Mn dựa trên sự tạo phức màu của Mn(II) với thuốc thử hữu cơ 16

CHƯƠNG 3: BÀN LUẬN VÀ KẾT LUẬN 19

3.1 Bàn Luận 19

3.2 Kết Luận 20

TÀI LIỆU THAM KHẢO 21

LỜI MỞ ĐẦU

Nước là nguồn tài nguyên thiên nhiên qúy giá, là yếu tố không thể thiếu cho sự sống, ở đâu

có nước ở đó có sự sống Tuy nhiên cùng với sự phát triển của sự sống, quá trình đô thị hoá, công nghiệp hoá, và thâm canh nông nghiệp ngày càng phát triển đã có nhiều ảnh hưởng xấu đến nguồn tài nguyên này Nhiều nơi nguồn nước bề mặt thậm chí cả nước ngầm đã bị ô nhiễm nghiêm trọng gây ảnh hưởng xấu tới chất lượng của nước và ảnh hưởng đến sức khoẻ của con người và động vật làm giảm năng xuất và chất lượng cây trồng

Ô nhiễm nước là hiện tượng các vùng nước như sông, hồ, biển, nước ngầm bị các hoạt động của con người làm nhiễm các chất, sự thay đổi thành phần và chất lượng nước vượt quá tiêu chuẩn cho phép và có ảnh hưởng xấu đến đời sống con người và sinh vật Hầu như ai cũng biêt sự có mặt của thành phần sắt và mangan trong nguồn nước tự nhiên, chúng gây ảnh hưởng đáng kể đến việc cấp nước và đặc biệt đối với nguồn nước ngầm

Để có được nguồn nước sạch trong sinh hoạt và không bị nhiễm thành phần độc tố trong nước, cần phải xử lý sắt và mangan là tiêu chí hàng đầu trong khâu xử lý nước sạch khi đưa vào sử dụng

Có nhiều phương pháp xử lý sắt và mangan như oxy hoá sắt, làm thoáng, khử… Trong bài tiểu luận này chúng tôi sẽ giới thiệu với thầy và các bạn cách xử lý sắt và mangan trong nước bằng phương pháp trắc quang

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SẮT VÀ MANGAN 1.1 Tổng quan

Sắt và mangan đều ảnh hưởng đáng kể đến việc cấp nước, đặc biệt đối với nguồn nước ngầm Một số nguồn nước ngầm không chứa Fe va Mn, trong khi một số nguồn nước ngầm khác lại chứa một lượng đáng kể Điều này chỉ có thể giải thích trên cơ sở hóa vô cơ

Fe và Mn tồn tại trong nguồn nước do sự thay đổi điều kiện môi trường dưới tác dụng của các phản ứng sinh học xảy ra trong các trường hợp sau:

˗ Nước ngầm chứa một lượng lớn Fe và Mn hoặc cả Fe và Mn sẽ không chứa oxi hòa tan và

có hàm lượng CO2 cao Fe và Mn tồn tại dưới dạng Fe2+và Mn2+ Hàm lượngCO2cao chứng

tỏ quá trình oxi hóa các chất hữu cơ dưới tác dụng của vi sinh vật đã xảy ra và nồng độ oxi hòa tan bằng không, chứng tỏ điều kiện kỵ khí đã hình thành

˗ Giếng nước chất lượng tốt có hàm lượng Fe và Mn thấp Nếu sau đó chất lượng nước giảm

đi chứng tỏ chất thải hữu cơ thải ra mặt đất ở khu vực gần giếng nước đã tạo thành môi trường

kỵ khí trong lớp đất

Trên cơ sở nhiệt động học, Mn4+ và Fe3+ là trạng thái oxi hóa bền nhất của Fe và Mn trong nước chứa oxy Do đó chúng có thể bị khử thành Fe2+và Mn2+hòa tan chỉ trong môi trường kỵ khí

Những nghiên cứu gần đây cho thấy rằng một số vi sinh vật có khả năng sử dụng Fe(III) và Mn(IV) làm chất nhận điện tử do quá trình trao đổi chất dưới diều kiện kỵ khí dẫn đến sự hình thành cá dạng khử Fe2+ và Mn2+ Như vậy, vi sinh vật không chỉ tạo ra môi trường kỵ khí cần thiết cho quá trình khử mà còn có khả năng khử trực tiếp Fe và Mn

1.2 Đặc trưng và tác hại nguồn nước nhiễm sắt, mangan [2], [7]

1.2.1 Đặc trưng nguồn nước nhiễm sắt, mangan

1.2.1.1 Sắt

Theo một số nghiên cứu, sắt có mặt cả trong nước mặt và nước ngầm Hàm lượng sắt trong nước tự nhiên dao động trong một giới hạn lớn từ 0,01 – 26,1 mg/l, tuỳ thuộc vào nguồn nước và những vùng mà nguồn nước chảy qua Ngoài ra, độ pH và sự có mặt của một số chất như cacbonat, CO2, O2, các chất hữu cơ tan trong nước sẽ oxy hóa hay khử sắt làm cho sắt có thể tồn tại ở dạng tan hay kết tủa Trong nước mặt do ion sắt II dễ bị oxy hóa nên sắt thường tồn tại ở

dạng Fe3+ thường là Fe(OH)3 dưới dạng keo hữu cơ, cặn huyền phù…

Hàm lượng sắt trong nước ngầm thường cao và phân bố phụ thuộc vào các lớp trầm tích dưới đất sâu nơi dòng nước chảy qua Khi tiếp xúc với oxy hoặc các tác nhân oxy hóa, ion Fe2+

bị oxy hóa thành Fe3+ và kết tủa thành Fe(OH)3 có màu nâu đỏ

Một số dạng tồn tại của sắt trong nước:

˗ Các hợp chất vô cơ của ion sắt hóa trị II: FeS, Fe(OH)2, FeCO3, Fe(HCO3)2, FeSO4,…

˗ Các hợp chất vô cơ cuả ion sắt hóa trị III: Fe(OH)3, FeCl3…

˗ Các phức chất vô cơ của ion sắt với silicat, photphat…

˗ Các phức chất hữu cơ của ion sắt với axit humic, funvic…

Trong nước, mangan tồn tại dưới dạng các muối tan của clorua, sunfat, nitrat

Hàm lượng mangan trong nước tự nhiên trung bình là 0,58 mg/l, hàm lượng này còn phụ thuộc vào nguồn nước và địa chất các khu vực nước chảy qua Mangan có độc tính rất thấp và không gây ung thư Ở hàm lượng cao hơn 0,15 mg/l có thể tạo ra vị khó chịu, làm hoen ố quần

áo Tiêu chuẩn nước uống và nước sạch đếu quy định hàm lượng mangan nhỏ hơn 0,5 mg/l Nồng độ giới hạn cho phép:

˗ Nước uống : 0,01 – 0,5 mg/l tuỳ thuộc tiêu chuẩn từng nước

˗ Nước thải: nhỏ hơn 1 mg/l

1.2.2 Tác hại sắt và mangan đối với đời sống con người

1.2.2.1 Sắt

Mặc dù sắt không gây độc hại cho cơ thể, tuy nhiên nước có hàm lượng sắt cao hơn 0,5 mg/l thường có mùi tanh khó chịu, chứa nhiều cặn bẩn màu vàng (kết tủa Fe(OH)3) nước thường đục, gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng ăn uống, sinh hoạt, sản xuất (làm ố vàng quần áo khi giặt), một số nghành công nghiệp đòi hỏi chất lượng cao như: giấy, du lịch, tơ, sợi, dệt, thực phẩm, dược phẩm… Các cặn sắt kết tủa có thể làm tắt hoặc làm giảm khả năng vận chuyển của các ống dẫn nước Tiêu chuẩn nước uống và nước sạch đều quy định hàm lượng sắt nhỏ hơn 0,5 mg/l

Sắt là nguyên tử vi lượng cần thiết để cho cơ thể cấu tạo hồng cầu Vì thế, sắt với hàm lượng 0,3 mg/l là mức ấn định cho phép đối với nước sinh hoạt Vượt quá giới hạn trên, sự có mặt của sắt trong nước gây ra một số ảnh hưởng bất lợi cho người sử dụng trong sinh hoạt gia đình, trong công nghiệp và thương mại Sắt thường đọng lại trong các đường ống cấp nước làm giảm áp suất của nước trong ống dẫn nên ảnh hưởng tới quá trình phân phối nước

1.2.2.2 Mangan

Mangan được hấp thụ vào cơ thể người thông qua 3 con đường: hô hấp, tiếp xúc và tiêu hóa Trong đó, sự hấp thụ qua đường hô hấp là nhanh nhất, thường xảy ra với những công nhân làm việc tại các khu công nghiệp sản xuất gang thép và chế tạo ắc qui Còn đối với con người nói chung, mangan được hấp thụ thông qua ăn uống là chủ yếu Sự hấp thụ mangan liên quan tới một

số yếu tố như: hàm lương sắt, canxi trong thực phẩm, chất tanin trong trà, các loại thức ăn xơ… Sau khi được hấp thụ mangan sẽ được vận chuyển qua máu đến các cơ quan trong cơ thể Hàm lượng mangan cao nhất thường được tìm thấy trong xương, gan, cật, tụy, tuyến thượng thận, các

mô giàu ti thể và sắc tố Sự tập trung hàm lượng mangan thấp nhất là ở mỡ Trong cơ thể người, mangan có thể tồn tại ở một vài trạng thái oxi hóa trong các hợp chất phức hoặc ở dạng ion tự do Sau khi thực hiện các quá trình trao đổi chất, mangan được thải loại ra khỏi cơ thể qua: phân, nước tiểu, mồ hôi, tóc và sữa mẹ

Theo khảo sát, một cậu bé 10 tuổi dùng nước sinh hoạt có nồng độ mangan cao gấp 3 lần

so với tiêu chuẩn cho phép của WHO (0,4 mg/L) trong thời gian 5 năm có biểu hiện khả năng ghi nhớ dưới mức trung bình Nhiễm độc mangan từ nước uống làm giảm khả năng ngôn ngữ, giảm trí nhớ, giảm khả năng vận dụng sự khéo léo của đôi tay và tốc độ chuyển động của mắt Phổi nhiễm mangan lâu dài (hơn 10 năm) đã dẫn đến những triệu chứng thần kinh không bình thường

ở người cao tuổi (n=77) miền Tây Bắc Peloponnesos, Hy Lạp Nhóm người này đã sử dụng nguồn nước bị ô nhiễm mangan, với nồng độ nằm trong khoảng 1,8 - 2,3 mg/L, trong khi tiêu chuẩn mangan trong nước uống của tổ chức Y Tế Thế Giới là 0,4 mg/L Khả năng gây đột biến

và gây ung thư do phơi nhiễm mangan chưa được biết đến ở người

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH SẮT, MANGAN BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRẮC

QUANG VÀ PHỔ NGUYÊN TỬ 2.1 Các phương pháp phổ nguyên tử xác định hàm lượng Fe, Mn

2.1.1 Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử (AES) [1]

Nguyên tắc chung của phép phân tích định tính trong phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử gồm 3 giai đoạn:

˗ Cung cấp năng lượng thích hợp để hóa hơi, nguyên tử hóa mẫu tạo ra đám hơi nguyên tử

tự do, kích thích đám hơi đó phát ra phổ phát xạ của chúng

˗ Thu chùm sáng phát xạ, phân ly và ghi phổ phát xạ của mẫu phân tích

˗ Quan sát phổ phát xạ thu được, phân tích định tính

Cơ sở của phân tích định lượng bằng phép đo AES là sự phụ thuộc của nồng độ vào cường

độ vạch phổ được biểu diễn thông qua định luật Lambert – Beer:

2.1.2 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) [6]

Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử dựa vào khả năng hấp thụ chọn lọc các bức

xạ cộng hưởng của các nguyên tử ở trạng thái tự do Đối với mỗi nguyên tố vạch cộng hưởng thường là vạch quang phổ nhạy nhất của phổ phát xạ nguyên tử của chính nguyên tử

đó Thông thường thì khi hấp thụ bức xạ cộng hưởng nguyên tử sẽ chuyển từ trạng thái ứng với mức năng lượng cơ bản sang mức năng lượng cao hơn gần với mức năng lượng cơ bản nhất, người ta gọi đó là bước chuyển cộng hưởng

Trong phương pháp này quá trình nguyên tử hóa mẫu có thể thực hiện bằng phương pháp không ngọn lửa và phương pháp sử dụng ngọn lửa Trong điều kiện nhiệt độ không quá cao

(1500 – 3000oC) đa số các nguyên tử tạo thành ở trạng thái cơ bản

Khi chiếu vào đám hơi nguyên tử tự do một chùm bức xạ điện từ có tần số bằng tần số cộng hưởng thì các nguyên tử tự do sẽ hấp thụ các bức xạ cộng hưởng này và làm cho cường

độ của chùm bức xạ điện từ giảm Sự bức xạ của đám hơi tuân theo định luật Lambert – Beer:

𝐼 = 𝐼0𝑒−𝐾𝑣 𝑁𝐿

Với: Kv: hệ số tỷ lệ, phụ thuộc vào bản chất, bước sóng của bức xạ đơn sắc; N: số nguyên

tử tự do ở trong môi trường hấp thụ (đám hơi nguyên tử tự do); L: bề dày môi trường hấp thụ (phụ thuộc vào máy)

Cường độ vạch phổ = mật độ quang = độ hấp thụ:

D = A = 2,303.Kv.N.L = KN

Trong khoảng giá trị nồng độ C đủ nhỏ thì: N = K.C; D = k.Cb

b = 1 nếu C  Co; b < 1 nếu C > Co

Co: Ngưỡng của sự tuyến tính của định luật Lambert – Beer cho phương pháp AAS

k: Hệ số tỷ lệ, phụ thuộc vào điều kiện phân tích

Thông thường số nguyên tử kích thích trong đám hơi không quá 1 – 2% nên phương pháp này có độ nhạy, độ chính xác cao, thực hiện nhanh và khá đơn giản

Khi xác định sắt người ta thường nguyên tử hóa mẫu bằng ngọn lửa đèn khí axetylen + không khí rồi dùng nguồn sáng đơn sắc có bước sóng mà đám hơi hấp thụ cộng hưởng chiếu vào đám hơi nguyên tử rồi thu phân ly và ghi phổ hấp thụ

Ưu nhược điểm của phương pháp AAS [3]

Ưu điểm

˗ Phép đo phổ hấp thụ nguyên tử có độ nhạy và độ chọn lọc tương đối cao gần 60 nguyên tố hóa học có thể được xác định bằng phương pháp này với độ nhạy từ 1.10-4 đến 1.10-5 Đặc biệt, nếu sử dụng kĩ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa thì có thể đạt đến độ nhạy 10-7% Chính vì có độ nhạy cao, nên phương pháp này được sử dụng rộng rất rộng rãi trong nhiều

˗ Do có độ nhạy cao nên trong nhiều trường hợp không cần phải làm giàu mẫu nguyên tố xác định trước khi phân tích, do đó tốn ít nguyên liệu mẫu, tốn ít thời gian không cần dùng nhiều hóa chất tinh khiết cao Mặc khác cũng tránh được sự nhiễm bẩn mẫu khi xử lí qua các giai đoạn phức tạp

˗ Các động tác thực hiện nhẹ nhàng Các kết quả phân tích có thể được lưu lại trên máy tính

Có thể xác định đồng thời hoặc liên tiếp nhiều nguyên tố trong một mẫu Các kết quả phân tích ổn định sai số nhỏ

˗ Trong nhiều trường hợp sai số không quá 15 % với nồng độ cỡ 1 – 2 ppm

2.2 Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV – VIS

2.2.1 Giới thiệu phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV – VIS [4]

Đây là phương pháp dựa trên sự so sánh cường độ màu của dung dịch nghiên cứu với cường độ màu của dung dịch tiêu chuẩn có nồng độ xác định

Cơ sở lý thuyết của phương pháp là định luật Lambert – Beer:

I = Io 10-ε.l.C Mật độ quang: D = lg (Io/I) = ε.l.C

Hay: D = K.C

Trong đó: Io: cường độ ánh sáng tới; I: cường độ ánh sáng ló; ε: hệ số tắt phân tử hay hệ

số hấp thụ phân tử, ε: là đại lượng xác định, phụ thuộc vào bản chất của chất hấp thụ, vào bước sóng λ của bức xạ đơn sắc và vào nhiệt độ; l: bề dày của cuvet đựng dung dịch, đo bằng cm; C: nồng độ dung dịch, đo bằng mol/l; D: mật độ quang; K: hệ số tỷ lệ, K = ε.l

Sơ đồ khối tổng quát của một thiết bị đo quang được trình bày trên hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ khối tổng quát của một thiết bị đo quang

Sơ đồ máy so màu quang điện hai chùm tia được trình bày trên hình 2.2

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên tắc hệ thống máy UV – VIS hai chùm tia

1- Đèn vonfram; 2- Cuvet chứa dung dịch so sánh; 3- Kính lọc sáng; 4- Cuvet chứa dung dịch phân tích; 5- Tế bào quang điện với hiệu ứng quang điện ngoài; 6- Gương; 7- Tế bào quang điện; 8- Điện kế để chuẩn hóa 100% T

2.2.2 Các điều kiện tối ưu của một phép đo quang [4]