Bài giảng Phân tích môi trường

Mục đích của phân tích mơi trƣờng • Xác định nồng độ tự nhiên của các chất hóa học trong môi trường nền giám sát mơi trường nền • Xác định nồng độ các chất ô nhiễm có hại trong môi trườn

PHÂN TÍCH MÔI TRƯỜNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI Khoa Hóa và Môi Trường – Bộ môn Quản lý

và Kỹ thuật môi trường

Giảng viên: Ths Nguyễn Thanh Hòa Email: nthoa@wru.vn

Tel: 0904727546

1

Giới thiệu môn học

Tuần 7, 8

trắc nghiệm và tự luận 1 tuần sau khi kết

thúc môn học

70%

2

CHƯƠNG 1 Một số vấn đề chung về phân tích môi

trường

Nội dung:

- Giới thiệu các giai đoạn trong phân tích môi trường

- Quá trình lấy mẫu

- Phân loại các phương pháp phân tích thông dụng

- Xử lý số liệu, đánh giá và báo cáo kết quả

3

I Mục đích của phân tích môi

II Các giai đoạn trong phân tích môi

trường

3 Xử lý số liệu, đánh giá và báo cáo kết quả

2 Phân tích mẫu (phá mẫu: chiết tách kln từ đất, quặng,

nước, thực vật…), các pp phân tích) Công phá mẫu từ đất, quặng… Phân tích trắc quang, AAS, chuẩn độ, điện thế…

1 Lấy mẫu, vận chuyển mẫu, bảo quản mẫu

Lấy mẫu đất, nước, không khí Bảo quản trong QT vận chuyển, bảo quản trong PTN

5

III CÁCH LẤY MẪU VÀ BẢO QUẢN MẪU

• Lấy mẫu đất, nước (ao, sông, biển, nước mưa), không khí, thực vật, trầm tích, sinh phẩm tuân theo các TCVN

• Dụng cụ lấy mẫu: thủy tinh, chai nhựa, túi nhựa, ống hấp thụ…

• Lấy mẫu đất: quy tắc đường thẳng góc, quy tắc đường zíc zắc

6

8

Bảo quản mẫu

- TCVN 5993 – 1995; Thời gian lưu: 24 giờ, 5 ngày, 1 tháng Tùy theo loại mẫu và chất phân tích mà có thể bảo quản trong phòng có không khí sạch hoặc trong tủ lạnh

- Nhóm thông số vật lý: bảo quản lạnh

- Nhóm thông số hóa học: pH < 2 hoặc kiềm hóa (CN - )

- Nhóm thông số sinh học: yêu cầu rất nghiêm ngặt, nếu không các

vi khuẩn hoặc nấm mốc dễ bị chết, biến dạng không còn đúng với thực tế (vô trùng, bóng tối)

9

IV Các phương pháp phân tích định lượng

Phân tích định lượng: là tập hợp các pp hóa học, vật lý

2 Phương pháp công cụ:

+ Phương pháp điện hóa

+ Phương pháp quang phổ: so màu, đo độ đục…

+ Phương pháp sắc ký

+ Phương pháp phóng xạ

+ Phương pháp khối phổ

11

Phương pháp trắc quang

- Phân tích trắc quang là tên gọi chung của các pp phân tích quang học dựa trên sự tương tác chọn lọc giữa chất cần xác định với năng lượng bức xạ thuộc vùng tử ngoại, khả kiến hoặc hồng ngoại

- Nguyên tắc: dựa vào lượng ánh sáng đã bị hấp thu bởi chất hấp thu để tính hàm lượng của chất hấp thu

12

Phân loại

- Pp hấp thu quang: dựa trên việc đo cường độ dòng

ánh sáng bị chất màu hấp thu chọn lọc

- Pp phát quang: dựa trên việc đo cường độ dòng

ánh sáng phát ra bởi chất phát quang khi ta chiếu một dòng ánh sáng vào chất phát quang

- Pp đo độ đục: dựa trên việc đo cường độ dòng ánh

sáng bị hấp thu hoặc bị khuếch tán bởi hệ keo được điều chế từ chất cần phân tích

13

• Cở sở lý thuyết

- Nếu dd hấp thu bức xạ vùng tử ngoại, ánh sáng trắng

truyền suốt hoàn toàn đến mắt, dd không màu

- dd có màu khi chứa cấu tử có khả năng hấp thu bức xạ vùng thấy được, do đó khi định lượng bằng pp quang phổ hấp thu thấy được còn được gọi là pp so màu hay đo màu

- dd mẫu có nồng độ càng cao, khả năng hấp thu của mẫu càng mạnh, cường độ ánh sáng đến mắt càng yếu, dd có

Định luật Bouguer – Lambert – Beer

Chiếu bức xạ đơn sắc có bước sóng cường độ I0 qua dd chứa cấu tử khảo sát nồng độ C Bề dày dung dịch là l Tại bề mặt cuvet đo, một phần bức xạ bị phản xạ có cường độ IR, một phần bức xạ bị hấp thu có cường độ IA Bức xạ ra khỏi dung dịch có cường độ I

16

Cường độ hấp thu bức xạ của cấu tử được xác định bằng 2 đại lượng:

- Độ truyền qua T (Transmittance)

• Nếu đo độ hấp thu quang của một loạt dung dịch bằng một dòng sáng đơn sắc tại cùng một bước sóng λ Hàm

A = f(l,C) biểu diễn là đường thẳng bậc 1, T = f(C) là đường cong

• Trong phân tích trắc quang chỉ dùng đường A = f(l,C)

18

Quy trình phương pháp đường chuẩn

• Pha một loạt dd có Ctc tăng dần đều đặn, khoảng 5÷8 Ctc

• Đo A của dãy các nồng độ chuẩn cùng một bước sóng đã chọn

• Lập đồ thị A(x) = f(Cx) Viết ptqh tuyến tính của đường chuẩn

• Pha chế dd cần đo, đo A của mẫu

• Căn cứ ptqhtt của dãy nồng độ chuẩn mà xác định nồng độ chất X trong mẫu

19

Sử dụng công thức

Phương pháp thêm chuẩn

• Áp dụng để xác định hàm lượng siêu vi lượng Có 2 pp là

sử dụng công thức và pp đồ thị

21

Bài Tập

1 Dung dịch nghiên cứu của Mn2+ có Ax = 0,900 khi đo

với cuvet có l = 5cm Hỏi Cx bằng bao nhiêu nếu như dung dịch tiêu chuẩn có chứa 5.10-6g Mn2+ trong 1ml khi đo với cuvet có l = 3cm thì Aa = 0,600

2 Lấy 10ml dung dịch bão hòa BaCrO4 thêm vào đó 1ml

dd H2SO4 5N và 1ml dd dietylcarbazid 0,25% Đo mật

độ quang của dd thu được ở λ = 540nm thì được A = 0,200 100 mL một dung dịch chuẩn chứa 8.10-5g Cr(VI) được xử lý tương tự sẽ cho Aa = 0,44 Tính độ tan của BaCrO4 ra mol/l

22

3 Định lượng TiO2 trong mẫu khoáng bằng phương pháp so màu Mẫu gồm TiO2 (0,5%) và một số oxit kim loại khác được hòa tan trong HCl tạo thành dạng Ti4+ Trong môi trường H2SO4 mạnh Ti4+ tạo phức với H2O2 thành dạng phức vàng TiO(H2O2)2+hấp thụ ở bước sóng 410nm với hệ số hấp thụ phân tử gam 8000cm-1.mol-1.L Xác định khoảng lượng mẫu cần cân hòa tan thành 100mL dung dịch mẫu đo, dùng 5mL dung dịch mẫu tạo phức thành 50mL dung dịch đo, dùng cuvet đo có l = 4cm và sử dụng máy đo

có A thích hợp trong khoảng 0,2 – 0,8?

23

4 Định lượng Cr trong mẫu rắn Cr(NO3)3.9H2O và Fe(NO3)3 Oxi hóa Cr3+ dạng Cr2O72- hấp thụ ở λ = 375nm với hệ số hấp thụ mol 3500cm-1.mol-1.L Nếu hàm lượng Cr(NO3)3.9H2O 1%, tính lượng mẫu cần cân

để sau khi hòa tan thành 100mL mẫu, dùng 10mL dd oxy hóa thành 100mL dd đo? Biết máy cho phép A ≥ 0,3; cuvet có l = 4cm Nếu dùng 4g mẫu pha như trên

đo được Am = 0,35, 1mL dung dịch chuẩn K2Cr2O70,01M pha thành 100mL dd đo, có Ac = 0,72 Tính %Cr trong mẫu ở dạng hợp chất trên

24

V XỬ LÝ SỐ LIỆU, ĐÁNH GIÁ, BÁO CÁO KẾT QUẢ

1 Số có nghĩa:

Chữ số có nghĩa bao gồm các chữ số tin cậy cùng với chữ số bất định đầu tiên Về nguyên tắc, số liệu phải được ghi sao cho chữ số cuối cùng là bất định

1,2345: gồm 5 chữ số có nghĩa, 4 chữ số tin cậy

(1,2,3,4), 1 chữ số bất định (5)

25

• Cân phân tích với độ nhạy ± 0,1mg thì kq phải được ghi đến chữ

số chỉ phần mười mg VD: 1,8925 g mà không ghi là 1,89 g hay 1,892 g;

1, 8, 9, 2 là các chữ số hoàn toàn tin cậy, chữ số 5 là bất định

- Thể tích ghi trên buret được chia độ đến 0,05 ml thì kết quả phải được ghi: V= 12,85ml mà không ghi 12,8ml hay 2,854ml

• Trường hợp không có thông tin bổ sung thì ngầm hiểu rằng chữ

số cuối cùng có độ bất định ±1 Ví dụ: nếu ghi pH = 6,77 nghĩa là

pH dao động trong khoảng 6,77-6,79 và máy đo pH có độ chính xác ±0,01

26

2 Sai số

• Sai số là giá trị chênh lệch giữa giá trị đo được hoặc tính được và giá trị

thực hay giá trị chính xác của một đại lượng nào đó

• Sai số cơ học: do sự bất cẩn của người phân tích (đọc sai, nhầm mẫu, sai

do tính toán, sai do làm nhiễm bẩn mẫu, )

• Sai số hệ thống: liên quan đến độ không chính xác của phương pháp (dùng

mẫu thuốc thử trắng, đưa máy về giá trị gốc, do định kiến của người quan trắc, do nhiễu) Giả sử dùng thước 20m để đo một đoạn thẳng nào đó,

nhưng chiều dài thật của thước lúc đó lại là 20,001m Như vậy trong kết quả một lần kéo thước có chứa 1mm, sai số này được gọi là sai số hệ

thống

• Sai số ngẫu nhiên: Sai số ngẫu nhiên là cố hữu trong tất cả các loại đo đạc,

ngay cả trong điều kiện tốt nhất với những máy móc tốt nhất 27

• Sai số tuyệt đối:

Etuyệt đối = │Giá trị đo – giá trị đúng│

• Sai số tương đối:

28

3 Độ lệch chuẩn s: thể hiện tính thống kê

• VD: Vào cuối học kỳ người ta lấy hai học sinh cùng có điểm trung bình 5,0

để xét cho đi thi học sinh giỏi

• Học sinh thứ nhất có độ lệch chuẩn là 0 vì điểm trong học kỳ của học sinh

này toàn điểm 5;

• Học sinh thứ 2 có độ lệch chuẩn lớn hơn 0 vì điểm trong học kỳ của học

sinh này có cả hai loại điểm 10 và điểm 0

• Học sinh thứ nhất học đều và ổn định hơn học sinh thứ hai

• Nếu cử học sinh thứ nhất đi thi thì sẽ an toàn hơn vì không sợ bị điểm liệt

và mang tiếng xấu về cho trường, nhưng cử học sinh thứ hai sẽ có khả năng sinh lợi lớn hơn vì có thể đoạt giải nhất mặc dù rủi ro bị liệt là tương đương

29

• Độ lặp phản ánh sự phù hợp giữa các kết quả thu được trong các thí nghiệm lặp lại trong cùng điều kiện giống nhau Tuy nhiên, kết quả phân tích có thể

có độ lặp cao nhưng không đúng và ngược lại

• Độ lệch chuẩn là căn bậc hai của phương sai σ2 (hay

s2) được kí hiệu tương ứng là σ hay s

30

5 Nồng độ Cl- trong một mẫu nước sông được xác định bằng pp chuẩn độ kết tủa với dd chuẩn AgNO3 5 lần

đo lặp đã xác định được nồng độ Cl- theo mg/l như sau: 15,7; 15,5; 14,8; 15,9 và 15,3 Biết nồng độ đúng của

Cl- là 15,1 mg/l Tính:

• trị số trung bình

• độ lệch chuẩn

• phương sai

• hệ số biến đổi (biến động)

• sai số tuyệt đối

• sai số tương đối

32

Tính:

• trị số trung bình

• độ lệch chuẩn

• phương sai

• hệ số biến đổi (biến động)

• sai số tuyệt đối

• sai số tương đối

33

7 Một kỹ thuật viên tiến hành chuẩn độ dung dịch KOH bằng dung dịch H2C2O4 Thể tích H2C2O4 tiêu tốn sau 8 lần chuẩn

độ lần lượt là 51,4 ml; 52,8 ml; 50,3 ml; 51,4 ml; 49,7 ml;

52,0 ml; 51,7 và 51,8 ml Báo cáo kết quả thể tích H2C2O4

cần dùng cho phép chuẩn độ trên

8 Tương tự cho phép chuẩn độ dung dịch HCl bằng dung dịch NaOH Thể tích NaOH tiêu tốn sau 8 lần chuẩn độ lần lượt là 51,4 ml; 52,1 ml; 50,3 ml; 51,4 ml; 49,7 ml; 52,0 ml; 51,7 và 51,8 ml Báo cáo kết quả thể tích NaOH cần dùng cho phép chuẩn độ trên

35

4 Hệ số tương quan Pearson

- Hệ số tương quan (r) là một chỉ số thống kê đo lường mối liên hệ tương quan giữa hai biến số x và y từ n mẫu:

36

Hồi quy tuyến tính

ptđt: y = a + bx

Độ dốc b

39

11 Kết quả: Nồng độ Pb, Mn dạng hạt trong 10 mẫu không khí theo μg/m3:

TT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Pb 1,82 0,96 0,37 0,61 0,68 0,38 0,24 0,77 1,52 0,58

Mn 0,36 0,14 0,05 0,08 0,25 0,03 0,01 0,09 0,29 0,07

-Có tương quan thống kê chặt chẽ giữa nồng độ Pb và Mn không?

- Nếu có tương quan chặt chẽ, thì xây dựng pt liên hệ giữa chúng

40

12 Tính hệ số r của số liệu trích ra từ 1 nghiên cứu trên quy mô 3000 người ở Việt Nam về mối liên hệ giữa các chỉ số nhân trắc và bệnh tiểu đường:

-Có tương quan thống kê chặt chẽ giữa trọng lượng và vòng eo không?

- Nếu có tương quan chặt chẽ thì hãy xây dựng pt liên hệ giữa chúng?

Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa cân nặng và vòng eo của 15

người được chọn ngẫu nhiên, r = 0,92

42

5 Đánh giá kết quả

- Dựa trên các sai số thống kê: độ lệch chuẩn lớn, nhỏ

- Dựa trên tương quan của các thông số: ví dụ

+ Mối liên quan giữa DO và COD

+ Mối liên quan giữa các ion của N

+ Mối liên quan giữa tổng N và BOD

- Dựa vào mối tương quan giữa nguồn thải và môi trường

43

VI Kiểm soát chất lượng phân tích

1 Một số đặc trưng của phương pháp phân tích

a) Giới hạn phát hiện:

- Giới hạn phát hiện là nồng độ là nồng độ thấp nhất của chất phân tích trong mẫu có thể phát hiện được nhưng

- Là một đại lượng có liên quan đến tính ổn định của phép đo LOD phụ thuộc vào: + Cấp độ hiện đại, điều kiện vận hành thiết bị(dao động nhiệt độ, áp suất, điện

áp…)

44

VI Kiểm soát chất lượng phân tích

1 Một số đặc trưng của phương pháp phân tích

Giới hạn phát hiện: LOD (limit of detection)

+ Phương pháp phân tích (xử lý mẫu, mất mát, nhiễm bẩn mẫu, nhiễu nền)

+ Trong thực tế thường gặp : LOD của thiết bị (giới hạn phát hiện của thiết bị: IDL: instrumental detection limit)

và LOD của phương pháp (Giới hạn phát hiện của phương pháp-MDL: method detection limit)

45

• Giá trị Q tới hạn đối với điểm có 6 số liệu có giá trị là 0,621 (phụ lục E) vì giá trị tính được lớn hơn giá trị Q tới hạn nên giá trị 7,1 bị loại bỏ

47

Kiểm soát chất lƣợng

• Quality Control hay viết tắt QC,

• Kiểm soát nội: kiểm soát chất lượng trong phòng thí nghiệm, việc này được thực hiện trong nội bộ phòng thí nghiệm

• Kiểm soát ngoại: kiểm soát chất lượng ngoài phòng thí nghiệm với sự tham gia của nhiều phòng thí nghiệm

48

• Bảo đảm chất lượng: Quality Assurance (QA) trong quan trắc môi trường là một hệ thống tích hợp các hoạt động quản lý và kỹ thuật trong một tổ chức nhằm đảm bảo cho hoạt động quan trắc môi trường đạt được các tiêu chuẩn chất lượng đã quy định

• Kiểm soát chất lượng: Quality Control (QC) trong quan trắc môi trường là việc thực hiện các biện pháp để đánh giá, theo dõi và kịp thời điều chỉnh để đạt độ chính xác

và độ tập trung của các phép đo theo yêu cầu của các tiêu chuẩn chất lượng nhằm đảm bảo cho hoạt động quan trắc môi trường đạt các tiêu chuẩn chất lượng quy định

49

t

• Quan trắc môi trường là gì? Mục tiêu của quan trắc môi trường?

• Giải thích quy trình Quan trắc và phân tích môi trường trong việc quản lý môi trường?

• Trong sơ đồ trên, công tác QA/QC cần phải thực hiện tốt ở các công đoạn nào? Vì sao?

50

Câu hỏi chương 1

• Câu 1 Hãy nêu mục đích của phân tích môi trường Đánh giá chất lượng môi trường ở khu vực ô nhiễm theo hệ

thống tiêu chuẩn bảo vệ môi trường như thế nào?

• Câu 2 Hãy nêu vai trò của các giai đoạn lấy mẫu, bảo

quản và vận chuyển mẫu trong phân tích môi trường

• Câu 3: Hãy nêu vai trò của giai đoạn xử lý sơ bộ, phân

tích mẫu, giai đoạn tính toán và xử lý số liệu trong phân tích môi trường

• Câu 4: Hãy nêu đặc điểm của sai số hệ thống và sai số

ngẫu nhiên Hãy nêu một số giải pháp giảm thiểu sai số trong quá trình phân tích mẫu

51

Chương 2: Một số phương pháp dùng trong phân tích môi trường

52

1 Phương pháp hấp phụ quang phổ nguyên tử

AAS (Atomic Absorption Spectrometer)

• PP quang phổ hấp thu nguyên tử AAS dùng để phân

tích các KL có mặt trong: nước thải, nước ngập mặn,

nước sinh hoạt, đất, mỹ phẩm…

• Máy AAS có thể phân tích các chỉ tiêu có nồng độ ppb,

ppm Mẫu được vô cơ hóa thành dd rồi phun vào hệ

thống nguyên tử hóa mẫu của máy Khi cần phân tích

nguyên tố nào gắn đèn cathode lõm của nguyên tố đó

Một dãy dd chuẩn của nguyên tố cần đo đã biết chính

xác nồng độ được đo song song Từ các số liệu đo được

sẽ tính được nồng độ của nguyên tố cần đo trong dd

đem phân tích

53

Nguyên tắc:

- Dưới tác dụng của nhiệt, các phân tử hóa hơi bị phân ly thành NT

và ở trạng thái không bị kích thích (trạng thái cơ bản), chỉ một phần nhỏ nguyên tử bị kích thích chiếm khoảng 10 -5 - 10-7 %

- Ở trạng thái cơ bản các NT có khả năng hấp thụ chọn lọc các bức

xạ do chính nó phát ra , đặc biệt là bức xạ cộng hưởng Vậy, làm cho một chất hóa hơi và chuyển thành các nguyên tử ở trạng thái cơ bản

rồi chiếu tia cộng hưởng của chính nguyên tố đó phát ra đi qua, thì các nguyên tử ở trạng thái cơ bản sẽ hấp thụ một phần năng lượng của bức xạ cộng hưởng Làm cường độ của bức xạ đó giảm đi

54

Định lƣợng trong AAS sử dụng ĐL Lamber – Beer

Đo A có thể xác định C, sử dụng pp đường chuẩn và

phương pháp thêm chuẩn

55