xác định hàm lượng sắt hoà tan trong nước bằng phương pháp trắc quang sử dụng thuốc thử 1,10–phenantrolin

Một trong những kim loại được chú ý là sắt, do nếu hàm lượng sắt hòa tan quá cao thì không chỉ ảnh hưởng tới sức khỏe của con người mà còn ảnh hưởng xấu tới các hoạt động sản xuất, du lị

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HCM

Em xin cảm ơn Ban giám hiệu nhà trường, tất cả các thầy cô trong khoa Hoá đã quan tâm, tạo điều kiện cho em trong suốt thời gian qua, đặc biệt là các thầy cô trong tổ Công Nông – Môi Trường, tổ Hữu cơ

Em xin chân thành cảm ơn cô Diệu đã giúp đỡ chúng em nhiệt tình về dụng cụ, trang thiết bị, hóa chất trong suốt thời gian làm khóa luận

Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn đến tất cả bạn bè, những người đã đồng hành và luôn bên cạnh em trong suốt thời gian qua

Do thời gian, điều kiện, cũng như kinh nghiệm của bản thân còn hạn chế nên khóa luận chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy, em xin chân thành ghi nhận những ý kiến đóng góp quý báu của quý thầy cô và bạn bè để khóa luận được hoàn thiện hơn

Thành Phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2013

Sinh viên thực hiện Chu Thị Kim Hương

MỤC LỤC

L ỜI CẢM ƠN 0

M ỤC LỤC 0

M Ở ĐẦU 0

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NƯỚC 3

1.1 PHÂN B Ố NƯỚC TRÊN TRÁI ĐẤT [15] 3

1.2 VAI TRÒ C ỦA NƯỚC TRONG SINH QUYỂN [25] 3

1.3 CHU TRÌNH NƯỚC TOÀN CẦU [16] 5

1.4 PHÂN LOẠI NƯỚC [13, 14, 16] 6

1.5 TÀI NGUYÊN NƯỚC SÔNG Ở VIỆT NAM [15] 10

1.6 TÀI NGUYÊN NƯỚC Ở THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH [23] 10 1.7 THÀNH PH ẦN SINH HÓA CỦA NƯỚC [16] 12

1.8 Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC [16] 15

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ SẮT 18

2.1 GI ỚI THIỆU VỀ NGUYÊN TỐ SẮT [11, 19] 18

2.1.1 V ị trí, cấu tạo và tính chất của sắt 18

2.1.2 Tr ạng thái tự nhiên 18

2.2 CÁC PH ẢN ỨNG TẠO PHỨC CỦA SẮT VỚI MỘT SỐ THUỐC TH Ử 18

2.3 M ỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA SẮT [8] 20

2.4 SẮT VÀ SỰ CHUYỂN HÓA CỦA SẮT TRONG MÔI TRƯỜNG [3] 21

2.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SẮT 23

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TRẮC QUANG 25

3.1 ĐỊNH NGHĨA [4] 25

3.2 SỰ HẤP THỤ ÁNH SÁNG CỦA CÁC CHẤT VÀ CÁC ĐỊNH

LU ẬT HẤP THỤ CƠ BẢN [4, 7] 25

3.3 NGUYÊN T ẮC CHUNG CỦA PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐO ĐỘ HẤP THỤ QUANG ĐỂ XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ 27

CHƯƠNG 4: XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG SẮT TRONG NƯỚC B ẰNG PHƯƠNG PHÁP TRẮC QUANG SỬ DỤNG

THU ỐC THỬ 1,10-PHENANTROLIN [17, 18, 21] 28

4.1 L ẤY MẪU VÀ BẢO QUẢN MẪU 28

4.1 NGUYÊN TẮC CỦA PHƯƠNG PHÁP 28

4.2 HÓA CH ẤT 29

4.3 D ỤNG CỤ 30

4.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH 31

4.5 K ẾT QUẢ TÍNH TOÁN 32

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ PHÂN TÍCH 33

5.1 CH ỌN ĐIỀU KIỆN TỐI ƯU 33

5.2 P HÂN TÍCH HÀM LƯỢNG SẮT HÒA TAN TRONG NƯỚC SÔNG 34

KẾT LUẬN 51

PH Ụ LỤC 53

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ về các lĩnh vực kinh tế, văn hóa, xã

hội, cuộc sống con người ngày càng ổn định hơn, nhưng hậu quả không thể tránh

khỏi, chính là môi trường sống càng trở nên ô nhiễm hơn Bằng chứng là trong

những năm gần đây, thảm họa thiên nhiên liên tục xảy ra trên toàn thế giới như động đất, sóng thần, lũ lụt gây thiệt hại lớn về con người và của cải Chính vì thế

việc nghiên cứu về ô nhiễm môi trường và biện pháp bảo vệ môi trường ngày càng

cấp thiết

Ô nhiễm môi trường ảnh hưởng trực tiếp tới sức khỏe con người, trong đó có

thể kể tới ô nhiễm kim loại nặng trong nước Vì vậy, xác định hàm lượng kim loại

nặng trong nước là công việc vô cùng quan trọng Một trong những kim loại được chú ý là sắt, do nếu hàm lượng sắt hòa tan quá cao thì không chỉ ảnh hưởng tới sức

khỏe của con người mà còn ảnh hưởng xấu tới các hoạt động sản xuất, du lịch, cấp nước…

Cùng với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, có nhiều cách xác định hàm lượng sắt hòa tan trong nước khác nhau như: phương pháp trắc quang, phổ hấp

thụ nguyên tử, cực phổ Von-Ampe hoà tan Một trong những phương pháp phân tích phổ biến để xác định hàm lượng sắt hòa tan trong nước là phương pháp trắc quang Đây là phương pháp được sử dụng nhiều, tuy chưa phải hoàn toàn ưu việt nhưng xét về nhiều mặt có những ưu điểm nổi bật như: có độ lặp lại cao, độ chính xác và độ nhạy đạt yêu cầu của phép phân tích Mặt khác, phương pháp này thao tác trên các phương tiện máy móc không quá đắt, dễ bảo quản và sử dụng, cho giá thành phân tích rẻ, phù hợp yêu cầu cũng như điều kiện của các phòng thí nghiệm trong nước hiện nay

Với lý do kể trên, em chọn đề tài: “Xác định hàm lượng sắt hoà tan trong

nước bằng phương pháp trắc quang sử dụng thuốc thử 1,10- phenantrolin”

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

- Tìm hiểu điều kiện tối ưu việc tạo phức của ion sắt (II) với thuốc thử 1,10-phenantrolin

- Nghiên cứu ảnh hưởng của một số ion hòa tan trong nước ảnh hưởng đến

việc xác định hàm lượng sắt hòa tan trong nước bằng phương pháp trắc quang sử

dụng thuốc thử 1,10-phenantrolin

- Phân tích hàm lượng sắt hòa tan trong nước sông kênh Nhiêu Lộc - Thị Nghè

và kênh Tàu Hủ - Bến Nghé ở thành phố Hồ Chí Minh

3 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

- Tìm hiểu tổng quan về nước

- Cơ sở lý luận các phương pháp phân tích sắt

- Tìm hiểu điều kiện tối ưu việc tạo phức của ion sắt (II) với thuốc thử 1,10-phenantrolin

- Nghiên cứu sự cản nhiễu các ion hòa tan trong nước

- Phân tích hàm lượng sắt hòa tan trong nước

- Đánh giá kết quả phân tích

4 ĐỐI TƯỢNG VÀ KHÁCH THỂ NGHIÊN CỨU

Sử dụng phương pháp trắc quang với thuốc thử 1,10-phenantrolin để xác định hàm lượng sắt trong nước ở một số vị trí dọc theo kênh Nhiêu Lộc - Thị Nghè và kênh Tàu Hủ - Bến Nghé ở thành phố Hồ Chí Minh

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu tài liệu

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

7 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

- Dùng phương pháp trắc quang với thuốc thử 1,10-phenantrolin, thực hiện trong phòng thí nghiệm Công Nông – Môi Trường trường Đại Học Sư Phạm thành

phố Hồ Chí Minh

- Mẫu nước lấy ở kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè và kênh Tàu Hủ - Bến Nghé thành phố Hồ Chí Minh

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NƯỚC

1.1 PHÂN BỐ NƯỚC TRÊN TRÁI ĐẤT [15]

Trên hành tinh chúng ta, nước tồn tại khắp nơi: trên mặt đất, trong biển và đại dương, dưới đất và trong không khí dưới các dạng: lỏng (nước sông, suối, ao hồ,

biển, khí (hơi nước) và rắn (băng tuyết)

Theo tổ chức Giáo dục, Khoa học và Văn hóa của Liên hiệp quốc (UNESCO), lượng nước trong thủy quyển được phân bố như sau:

Lượng nước trong thủy quyển: 1386.106 km3 100%

km3 (0,10%)

Sự phân bố lượng nước trên Trái Đất không đều theo các đại dương, biển và lục địa

1.2 VAI TRÒ CỦA NƯỚC TRONG SINH QUYỂN [25]

Nước chứa trong cơ thể sinh vật một hàm lượng rất cao, từ 50 - 90% khối lượng

cơ thể sinh vật là nước, có trường hợp nước chiếm tỷ lệ cao hơn

Trong cơ thể người, nước chiếm 60-65% trọng lượng cơ thể trưởng thành, đến

90% ở phôi, 70% ở trẻ sơ sinh Trong các mô cứng như xương, răng, móng, nước chiếm 10-20% Đối với các mô, cơ quan, khi lượng nước thay đổi tới hơn 10% sẽ dẫn tới tình trạng bênh lý

Nước là môi trường khuyếch tán cho các chất của tế bào, tạo nên các chất lỏng sinh học như máu, dịch gian bào, dịch não tủy

Nước là nguyên liệu cho cây trong quá trình quang hợp tạo ra các chất hữu cơ Nước là môi trường hoà tan chất vô cơ và phương tiện vận chuyển chất vô cơ và hữu cơ trong cây, vận chuyển máu và các chất dinh dưỡng ở động vật

Nước tham gia vào quá trình trao đổi năng lượng và điều hòa nhiệt độ cơ thể Cuối cùng nước giữ vai trò tích cực trong việc phát tán nòi giống của các sinh vật, nước còn là môi trường sống của nhiều loài sinh vật

Vì vậy các cơ thể sinh vật thường xuyên cần nước Một người nặng 60 kg cần cung cấp 2-3 lít nước để đổi mới lượng nước của cơ thể, và duy trì các hoạt động sống bình thường

Nước quyết định vai trò của đại dương về khí hậu bởi nước có nhiệt dung riêng

lớn Các đại dương và biển tích lũy nhiệt lượng của bức xạ mặt trời vào mùa hè và dùng lượng nhiệt đó để sưởi ấm khí quyển vào mùa đông

Các dòng hải lưu mang nhiệt năng từ các vùng nhiệt đới lên các biển phía bắc, làm dịu và cân bằng khí hậu của nhiều vùng trên Trái Đất Ví dụ như khí hậu vùng Tây Âu dịu mát nhờ vai trò của dòng hải lưu nóng khổng lồ Gulf - stream chảy từ

vịnh Mexico qua Đại Tây Dương vòng qua bờ biển Anh và Nauy Đại dương cùng

với gió đóng vai trò điều hòa thành phần không khí hòa tan các chất của khí quyển, còn các dòng hải lưu thì chuyển chúng đi rất xa

Nước đáp ứng nhu cầu đa dạng của con người như sử dụng trong sinh hoạt: tắm

rửa, giặt, nấu ăn… Tùy theo trình độ phát triển xã hội và khả năng cung cấp mà lượng nước cần cho mỗi người một ngày trong các vùng đô thị có thể đạt từ 100 -

300 lít hay hơn nữa

Trong nông nghiệp, nước là yếu tố vô cùng quan trọng để tạo ra năng suất và

sản lượng cây trồng Nước có vai trò hòa tan các loại muối khoáng trong đất và giúp cho rễ cây có thể hút được các chất dinh dưỡng cần thiết để nuôi cây Nước, không khí, các chất khoáng là những nguyên liệu cần thiết để cây trồng tổng hợp nên các

chất hữu cơ trong cây, nhưng nước là yếu tố mà cây trồng phải sử dụng với khối

lượng lớn nhất Lượng nước này 99,8% được sử dụng vào quá trình bay hơi mặt lá

và chỉ có từ 0,1 – 0,3% là để xây dựng các bộ phận của cây

Lượng nước chứa trong các bộ phận của cây luôn luôn thay đổi, chính vì vậy

mà mỗi ngày trên một diện tích 1 ha cây trồng như lúa, ngô, rau phải cần 30-60 m3

nước và mỗi vụ cây trồng cần 3000-6000 m3nước tùy theo loại cây trồng và thời vụ canh tác, điều kiện bức xạ, nhiệt độ, độ ẩm, mưa của từng nơi

Trong công nghiệp, bất kì ngành sản xuất công nghiệp nào cũng cần sử dụng nước đặc biệt như công nghiệp chế biến thực phẩm, dệt, nhuộm… Ví dụ: để sản

xuất một tấm vải cần 4000-6000 m3 nước Ngoài ra, nước còn dùng để tạo năng lượng Thí dụ chạy bằng sức nước, các nhà máy thủy điện hiện nay sản xuất hàng tỷ

kW giờ điện cho mỗi con người hằng ngày

Vậy nước là đầu vào của bất kì hoạt động sản xuất nào của con người, tạo ra sản

phẩm cho xã hội Tính thiết yếu còn thể hiện ở chỗ không thể dùng loại tài nguyên nào khác thay thế nước trong quá trình chế biến, sản xuất ra sản phẩm cho con người

1.3 CHU TRÌNH NƯỚC TOÀN CẦU [16]

Nguồn nước trong tự nhiên luôn được luân hồi theo chu trình thủy văn Do vậy lượng nước được bảo toàn, chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác (lỏng, khí, rắn)

hoặc từ nơi này tới nơi khác Tùy theo phân loại nguồn nước (đại dương, hồ, sông, hơi ẩm đất…) thời gian luân hồi có thể rất ngắn (8 ngày đối với hơi ẩm không khí)

hoặc có thể kéo dài hàng năm, hàng ngàn năm

Trong chu trình thủy văn nguồn nước ngọt được luân hồi qua quá trình bốc hơi

và mưa (thời gian luân hồi thường ngắn theo hàng năm) Hiện nay hàng năm toàn

thế giới mới sử dụng 4000km3 nước ngọt, chiếm khoảng hơn 40% tổng số nguồn nước ngọt có thể khai thác Tuy nhiên nguồn nước mưa và nước ngọt phân bố rất không đồng đều, trong khi có nhiều vùng bị ngập lụt thì các vùng khác lại thiếu nước ngọt

1.4 PHÂN LOẠI NƯỚC [13, 14, 16]

Nước mặt

Đây là khái niệm chung chỉ các nguồn nước trên mặt đất, bao gồm các dạng động (chảy) như sông, suối, kênh, rạch và dạng tĩnh hay dạng chảy chậm như ao,

hồ, đầm… Nước mặt có nguồn gốc chính là nước chảy tràn do mưa hay cũng có thể

từ nước ngầm chảy ra do áp suất cao hay dư thừa độ ẩm trong đất cũng như dư thừa

số lượng trong các tầng nước

Nước chảy tràn vào các sông luôn ở trạng thái động, phụ thuộc vào lưu lượng và mùa trong năm Chất lượng nước phụ thuộc nhiều vào các lưu vực Nước qua vùng núi đá vôi, đá phấn thì sẽ trong và cứng Nước chảy qua vùng đất có tính thấm kém thì sẽ đục và mềm Các hạt mịn hữu cơ và vô cơ bị cuốn theo khó sa lắng Nước chảy qua rừng rậm thì sẽ trong và chứa nhiều chất hữu cơ hòa tan Nạn phá rừng

làm cho nước cuốn trôi hầu hết các thành phần trong đất

9 Nitrit (NO-2) (tính theo N) mg/l 0,01 0,02 0,04 0,05

10 Nitrat (NO-3) (tính theo N) mg/l 2 5 10 15

11 Phosphat (PO43-)(tính theo P) mg/l 0,1 0,2 0,3 0,5

0,1 0,1

0,2 0,32

0,4 0,32

0,5 0,4

A2 - Dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt nhưng phải áp dụng công nghệ xử

lý phù hợp; bảo tồn động thực vật thủy sinh, hoặc các mục đích sử dụng như loại B1

Nước ngầm và nước bề mặt có các tính chất khác nhau, bảng 1.2 trình bày các tính chất và sự khác nhau cơ bản giữa nước ngầm và nước bề mặt

Bảng 1.2 Một số đặc điểm khác nhau giữa nước ngầm và nước mặt

Nhiệt độ Tương đối ổn định Thay đổi theo mùa

Chất rắn lơ

lửng Rất thấp, hầu như không có

Thường cao và thay đổi theo mùa

Khí O2 hòa tan Thường không tồn tại Gần như bão hòa

Mg2+ Nước biển thích hợp với các loài thủy hải sản nước mặn, là môi trường sống

của nhiều giới sinh vật Biển đóng vai trò quan trọng trong chu trình tuần hoàn nước toàn cầu

1.5 TÀI NGUYÊN NƯỚC SÔNG Ở VIỆT NAM [15]

Nước ta có một mạng lưới sông ngòi dày đặc (tổng số sông từ cấp I - VI có

2360 con sông) thể hiện sự chia cắt địa hình phức tạp Đó là kết quả của sự tương tác lâu dài giữa khí hậu nhiệt đới gió mùa nóng ẩm - yếu tố ngoại lực và hoạt động

tạo sơn đứt gãy uốn nếp - yếu tố nội lực Khí hậu nước ta nóng ẩm, mưa nhiều với lượng mưa trung bình năm là 1960mm, là nguyên nhân chính hình thành mạng lưới sông ngòi dày đặc Mật độ sông suối trung bình trên lãnh thổ là 0,6 km/km2

Chỉ có 9 hệ thống sông lớn có diện tích khoảng 371,770 km2 Đó là các hệ

thống sông Kỳ Cùng – Bằng Giang, Hồng, Thái Bình, Mã, Cả, Thu Bồn, Đồng Nai

và Mê Kông Khoảng 76% diện tích đất liền nước ta thuộc hệ thống sông này Ngoài 9 hệ thống sông kể trên còn có một số con sông độc lập như sông Gianh, sông Kiên Giang ở Quảng Bình, sông Thạch Hãn ở Quãng Trị, sông Hương ở Huế thuộc Bắc Trung Bộ, sông Trà Khúc ở Quãng Ngãi, sông Côn ở Bình Định thuộc Nam Trung Bộ

1.6 TÀI NGUYÊN NƯỚC Ở THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH [23]

Nước mặt

Về nguồn nước, nằm ở vùng hạ lưu hệ thống sông Ðồng Nai - Sài Gòn, thành

phố Hồ Chí minh có mạng lưới sông ngòi kênh rạch rất phát triển

Sông Ðồng Nai bắt nguồn từ cao nguyên Langbiang (Ðà Lạt) và hợp lưu bởi nhiều sông khác, như sông La Ngà, sông Bé, nên có lưu vực lớn, khoảng

45000 km2 Nó có lưu lượng bình quân 20-500 m3/s và lưu lượng cao nhất trong mùa lũ lên tới 10000 m3/s, hàng năm cung cấp 15 tỷ m3nước và là nguồn nước ngọt

chính của thành phố Hồ Chí Minh Sông Sài Gòn bắt nguồn từ vùng Hớn Quản, chảy qua Thủ Dầu Một đến thành phố với chiều dài 200 km và chảy dọc trên địa

phận thành phố dài 80 km Hệ thống các chi lưu của sông Sài Gòn rất nhiều và có lưu lượng trung bình vào khoảng 54 m3

ra vào bến cảng Sài Gòn

Ngoài trục các sông chính kể trên ra, thành phố còn có mạng lưới kênh rạch chằng chịt, như ở hệ thống sông Sài Gòn có các rạch Láng The, Bàu Nông, rạch Tra, Bến Cát, An Hạ, Tham Lương, Cầu Bông, Nhiêu Lộc-Thị Nghè, Bến Nghé, Lò Gốm, Kênh Tẻ, Tàu Hủ, Kênh Ðôi và ở phần phía Nam thành phố thuộc địa bàn các huyện Nhà Bè, Cần Giờ mật độ kênh rạch dày đặc; cùng với hệ thống kênh cấp 3-4 của kênh Ðông-Củ Chi và các kênh đào An Hạ, kênh Xáng, kênh Bình Chánh đã giúp cho việc tưới tiêu hiệu quả, giao lưu thuận lợi và đang dần dần từng bước thực hiện các dự án giải tỏa, nạo vét kênh rạch, chỉnh trang ven bờ, tô điểm vẻ đẹp cảnh quan sông nước, phát huy lợi thế hiếm có đối với một đô thị lớn

Nước dưới đất

Nước ngầm ở thành phố Hồ Chí Minh, nhìn chung khá phong phú tập trung ở vùng nửa phần phía Bắc-trên trầm tích Pleixtoxen; càng xuống phía Nam (Nam Bình Chánh, quận 7, Nhà Bè, Cần Giờ) - trên trầm tích Holoxen, nước ngầm thường

bị nhiễm phèn, nhiễm mặn

Ðại bộ phận khu vực nội thành cũ có nguồn nước ngầm rất đáng kể, nhưng chất lượng nước không tốt lắm Tuy nhiên, trong khu vực này, nước ngầm vẫn thường được khai thác ở ba tầng chủ yếu: 0-20m, 60-90m và 170-200m Khu vực các quận huyện 12, Hóc môn và Củ Chi có trữ lượng nước ngầm rất dồi dào, chất lượng nước

rất tốt, thường được khai thác ở tầng 60-90m Ðây là nguồn nước bổ sung quan trọng của thành phố.

1.7 THÀNH PHẦN SINH HÓA CỦA NƯỚC [16]

Các ion hòa tan

Nước là dung môi lưỡng tính nên hòa tan rất tốt các chất như axit, bazơ và

muối vô cơ tạo ra nhiều loại ion tồn tại tự nhiên trong môi trường nước Hàm lượng các ion hòa tan trong nước được đặc trưng bởi độ dẫn điện, nồng độ các ion hòa tan càng lớn thì độ dẫn điện EC (microsimen/cm hay S/cm) của nước càng

lớn

Thành phần ion hòa tan của nước biển tương đối đồng nhất, nhưng của

nước bề mặt hoặc nước ngầm thì không đồng nhất vì còn phụ thuộc vào đặc điểm khí hậu, địa chất và vị trí thủy vực Sau đây là số liệu tham khảo về thành

phần ion hòa tan của nước

Nồng độ (mg/l) Thứ tự Nồng độ (mg/l) Thứ tự Các ion chính

Các chất rắn bao gồm các thành phần vô cơ, hữu cơ và được phân thành 2

loại dựa vào kích thước:

Chất rắn không thể lọc được: là loại có kích thước hạt nhỏ hơn 10-6m, ví dụ như chất rắn dạng hạt keo, chất rắn hòa tan (các ion và phân tử hòa tan)

Chất rắn có thể lọc được: loại này có kích thước hạt lớn hơn 10-6m, ví dụ: hạt bùn, sạn

Dựa vào khả năng bị phân hủy do vi sinh vật trong nước, ta có thể phân làm

2 nhóm:

Các chất hữu cơ dễ phân huỷ sinh học (hoặc còn được gọi là các chất tiêu thụ oxi) như các chất đường, chất béo, protein, dầu mỡ động thực vật Trong môi

trường nước các chất này dễ bị vi sinh vật phân hủy tạo ra khí cacbonic và nước Hàm lượng các chất dễ phân huỷ sinh học được đặc trưng bởi chỉ số BOD, gọi là nhu cầu oxy sinh học (viết tắt của Biochemical Oxygen Demand)

Các hợp chất hữu cơ còn lại thường rất bền, lại không bị phân hủy bởi vi sinh

vật như các hợp chất hữu cơ: clo, cơ photpho, cơ kim như DDT, linđan, anđrin, policlorobipheny (PCB), các hợp chất hữu cơ đa vòng ngưng tụ như pyren, naphtalen, antraxen, đioxin Đây là những chất có tính độc cao, lại bền trong môi trường nước, có khả năng gây tác hại lâu dài cho đời sống sinh vật và sức khỏe con người Hàm lượng các chất khó phân huỷ sinh học, kể cả dễ phân huỷ sinh học được đặc trưng bởi chỉ số COD, gọi là nhu cầu oxy hóa học (viết tắt của Chemical Oxygen Demand)

Thành phần và mật độ các loài cơ thể sống trong nước phụ thuộc chặt chẽ vào đặc điểm, thành phần hóa học của nguồn nước, chế độ thủy văn và vị trí địa hình Sau đây là một số loại sinh vật có ý nghĩa trong các quá trình hóa học và sinh học trong nước:

- Vi khuẩn (bacteria): là các loại thực vật đơn bào, không màu có kích

thước từ 0,5 ÷ 5,0 m, chỉ có thể quan sát được bằng kính hiển vi

Vi khuẩn đóng vai trò rất quan trọng trong việc phân hủy chất hữu cơ trong nước, là cơ sở của quá trình tự làm sạch của nước tự nhiên, do vậy nó có ý nghĩa rất quan trọng với môi trường nước Phụ thuộc vào nguồn dinh dưỡng, vi khuẩn được chia làm hai nhóm chính: vi khuẩn dị dưỡng (heterotrophic) và vi khuẩn tự dưỡng (autotrophic)

- Siêu vi trùng (virus): Loại này có kích thứơc nhỏ (khoảng 20 ÷ 100nm), là

loại kí sinh nội bào Khi xâm nhập vào tế bào vật chủ nó thực hiện việc chuyển hóa tế bào để tổng hợp protein và axit nucleic của siêu vi trùng mới, chính vì

cơ chế sinh sản này nên siêu vi trùng là tác nhân gây bệnh hiểm nghèo cho con

người và các loài động vật

- Tảo: là loại thực vật đơn giản nhất có khả năng quang hợp, không có rễ,

thân, lá; có loại tảo có cấu trúc đơn bào, có loại có dạng nhánh dài, tảo thuộc

loại thực vật phù du Tảo là loại sinh vật tự dưỡng, chúng sử dụng cacbonic hoặc bicacbonat làm nguồn cacbon, sử dụng các chất dinh dưỡng vô cơ như photphat

và nitơ để phát triển

Người ta có thể dùng tảo làm chỉ thị sinh học để đánh giá chất lượng nước

tự nhiên

1.8 Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC [16]

Ô nhiễm nước là sự làm thay đổi bất lợi cho môi trường nước, hoàn toàn hay đại bộ phận do các hoạt động khác nhau của con người tạo nên Những hành động gây tác động trực tiếp hay gián tiếp đến những thay đổi về mặt năng lượng, mức độ

bức xạ Mặt Trời, thành phần vật lý hóa học của nước, và sự phong phú của các loại sinh vật sống trong nước

Về nguồn gốc gây ô nhiễm nước có thể là tự nhiên hay nhân tạo Sự ô nhiễm có nguồn gốc tự nhiên là do mưa, tuyết tan Nước mưa rơi xuống mặt đất, mái nhà, khu công nghiệp… kéo theo các vết bẩn xuống sông, hồ, hoặc các sản phẩm của các

hoạt động phát triển của sinh vật, vi sinh vật và các xác chết của chúng Còn sự ô nhiễm nhân tạo chủ yếu do xả nước thải sinh hoạt, công nghiệp, giao thông vận tải, thuốc trừ sâu diệt cỏ, và phân bón trong nông nghiệp

Nước ô nhiễm thường có chứa những thành phần sau:

- Các chất thải hữu cơ có nguồn gốc động vật, thực vật làm cho nồng độ oxi

hòa tan trong nước bị giảm do quá trình phân hủy sinh học Các chất này có trong

chất thải sinh hoạt và công nghiệp

- Các vi sinh vật gây bệnh

- Các chất dinh dưỡng thực vật (các hợp chất tan của nitơ, photpho, kali…) làm cho tảo cỏ nước phát triển quá mức

- Các hóa chất hữu cơ tổng hợp: các chất trừ sâu bệnh, tăng trưởng thực vật, các chất tẩy rửa…

- Các chất vô cơ tạo ra từ quá trình sản xuất, khai thác mỏ, phân bón…

- Các chất lắng đọng gây bồi lấp dòng chảy

- Các chất phóng xạ từ quá trình khai thác, chế biến quặng, bụi phóng xạ từ các vụ thử hạt nhân

- Nước thải có nhiệt độ cao từ các quá trình làm lạnh trong công nghiệp, sự ngăn dòng tạo hồ chứa…

thực vật nổi (Phytoplankton) và sản phẩm phân huỷ thực vật chết Trong trường

hợp này do nhu cầu sự phân huỷ hiếu khí cao sẽ dẫn đến hiện tượng thiếu oxi

Nước có màu vàng bẩn do sự xuất hiện quá nhiều các hợp chất humic (axit mùn) Nhiều loại nước thải của các nhà máy, công xưởng, lò mổ có nhiều màu sắc khác nhau Các màu sắc có ảnh hưởng tới ánh sáng mặt trời chiếu xuống

dẫn đến hậu quả khôn lường cho các hệ sinh thái nước Nhiều màu sắc do hóa chất gây nên rất độc đối với sinh vật nước

Mùi và v ị

Nước thải công nghiệp chứa nhiều hợp chất hoá học làm cho nước có vị không

tốt và đặc trưng, như các muối của sắt, mangan, clo tự do, sunfuahidro, các phenol và hidrocacbon không no Nhiều chất chỉ với một lượng nhỏ đã làm cho vị

xấu đi Các quá trình phân giải các chất hữu cơ, rong, tảo đều tạo nên những

sản phẩm làm cho nước có vị khác thường

Do vậy, khi nước bị ô nhiễm, vị của nó biến đổi làm cho giá trị sử dụng của

nước giảm nhiều

Mùi của nước là một đặc trưng quan trọng về mức độ ô nhiễm nước bởi các chất gây mùi như: amoniac, phenol, clo tự do, các sunfua, các xianua v.v Mùi của nước cũng gắn liền với sự có mặt của nhiều hợp chất hữu cơ như dầu

mỡ, rong tảo và các chất hữu cơ đang phân rã Một số vi sinh vật cũng làm cho

nước có mùi như động vật đơn bào Dinobryon và tảo Volvox gây mùi tanh cá Các sản phẩm phân huỷ protein trong nước thải có mùi hôi thối

Độ đục

Một đặc trưng vật lý chủ yếu của nước thải sinh hoạt và các loại nước thải công nghiệp là độ đục lớn Độ đục do các chất lơ lửng gây ra, những chất này có kích

thước rất khác nhau, từ cỡ các hạt keo đến những thể phân tán thô, phụ thuộc vào

trạng thái xáo trộn của nước Những hạt này thường hấp thụ các kim loại độc và các vi sinh vật gây bệnh lên bề mặt của chúng Nếu lọc không kĩ vẫn dùng thì rất nguy hiểm cho người và động vật

Mặt khác, độ đục lớn thì khả năng xuyên sâu của ánh sáng bị hạn chế nên quá trình quang hợp trong nước bị giảm, nồng độ oxi hòa tan trong nước bị giảm,

nước trở nên yếm khí

của nước

Ô nhiễm nhiệt gây ảnh hưởng tới quá trình hô hấp của sinh vật trong nước và gây chết cá, vì nồng độ oxi trong nước giảm nghiêm trọng

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ SẮT

2.1 GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN TỐ SẮT [11, 19]

2.1.1 V ị trí, cấu tạo và tính chất của sắt

Tên, kí hiệu, số thự tự: Sắt, Fe, 26

Phân loại: Kim loại chuyển tiếp

Cấu hình electron: [Ar]3d64s2

Khối lượng riêng, độ cứng: 7,874 kg/m3

Bề ngoài: Kim loại màu xám, có ánh kim

Khối lượng nguyên tử: 55,845 đvc

Bán kính nguyên tử (Ao): 1,35

Năng lượng ion hóa (eV): I1 = 7,9; I2 = 16,18; I3 = 30,63

Trạng thái oxi hóa: +2, +3

Sắt là nguyên tố phổ biến đứng hàng thứ 4 về hàm lượng trong vỏ Trái Đất sau

O, Si, Al Trong thiên nhiên sắt có 4 đồng vị bền: 54Fe, 56Fe (91,68%), 57Fe và 58Fe

Những khoáng vật quan trọng của sắt là manhetit chứa đến 72% sắt, hematit chứa 60% sắt, pirit và xiderit chứa 35% sắt Có rất nhiều mỏ quặng sắt và sắt nằm dưới khoáng chất với nhôm, titan, mangan…Sắt còn có trong nước thiên nhiên và thiên

thạch sắt

2.2 CÁC PHẢN ỨNG TẠO PHỨC CỦA SẮT VỚI MỘT SỐ THUỐC

TH Ử

, Fe 3+ với thuốc thử 1,10-phenantrolin [21]

Thuốc thử 1,10-phenantrolin là một thuốc thử khá nhạy, dùng để xác định ion

Fe2+ dựa trên sự tạo phức giữa thuốc thử và Fe2+ Phức tạo thành có màu đỏ da cam

Phức này hoàn toàn bền, cường độ màu không thay đổi trong khoảng pH từ 2 –

9 và phức có λmax= 510 nm Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này: các chất oxi hóa mạnh; xyanua, nitrit; crom, kẽm khi nồng độ chúng gấp 10 lần nồng độ sắt; coban, đồng khi nồng độ chúng gấp 5 lần nồng độ sắt; niken khi nồng độ của nó

gấp 2 lần sắt; bimut, cadimi, thủy ngân, molypdat và bạc tạo kết tủa với phenantrolin Ban đầu đun sôi với axit để loại bỏ ảnh hưởng của xyanua và nitrat Thêm chất khử hydroxyamin dư để loại bỏ sự ảnh hưởng của các chất oxi hóa

1,10-mạnh

Fe3+ cũng tạo phức với 1,10–phenantrolin, phức này có màu xanh lục nhạt ở

λmax=585 nm Tuy vậy, phức này không bền theo thời gian có cực đại hấp thụ ở

ở bước sóng λmax = 480 nm, dung dịch phức với thioxianat bị giảm màu khi để ngoài ánh sáng, tốc độ giảm màu chậm trong vùng axit yếu và nhanh khi nhiệt độ tăng Khi có mặt H2O2 hoặc (NH4)2S2O8 càng làm cho cường độ màu và độ bền màu của phức giảm đi Khi nồng độ SCN-

lớn không những nó làm tăng độ nhạy

của phép đo mà còn loại trừ được ảnh hưởng của F-, PO43- và một số anion khác tạo

phức được với Fe3+ Trong môi trường axit có những ion gây ảnh hưởng đến việc xác định Fe 3+

bằng SCN-như C2O42-, F- Ngoài ra còn có các ion tạo phức màu hay

kết tủa với ion thioxianat như Cu2+, Co2+, Ag+, Hg2+

Axit sunfosalixilic tạo phức với sắt (III) có màu phụ thuộc vào nồng độ axit của dung dịch Theo Saclo, với dung dịch có pH=1,5 thì λmax=500nm, còn pH=5 thì

λmax=460nm Axit sunfosalixilic còn được sử dụng để xác định sắt (III) trong môi trường axit, xác định tổng lượng Fe2+ và Fe3+trong môi trường kiềm

Ở pH=1,8-2,5 phức Fe3+ với axit sunfosalixilic có màu tím đỏ ứng với

λmax=510nm, ở pH=4-8 phức Fe3+

với axit sunfosalixilic có màu đỏ da cam ứng với

λmax=490nm và ở pH=8-12 phức Fe3+ với axit sunfosalixilic có màu vàng da cam

ứng với λmax=420-430nm Khi pH > 12 xảy ra sự phân hủy phức do sự hình thành hiđroxo

Phức của Fe2+

với bato–phenantrolin có thể được chiết bằng nhiều dung môi

hữu cơ, trong đó tốt nhất là ancol n–amylic, ancol iso–amylic và clorofom

Người ta thường dùng clorofom để chiết vì nó có tỷ trọng cao nên dễ chiết

Phức này có thể được chiết bằng hỗn hợp clorofom – ancol etylic khan với tỉ lệ 1:5

hoặc 5:1, pH thích hợp cho sự tạo phức là 4 – 7 Để tránh hiện tượng thủy phân đối

với các ion ta cho thêm vào dung dịch một ít muối xitrat hay tactrat Cu2+ gây ảnh hưởng cho việc xác định Fe2+

bằng thuốc thử bato–phenantrolin, ngoài ra một số ion kim loại hóa trị II như Co, Ni, Zn, Cd với một lượng lớn cũng gây ảnh hưởng Các anion không gây ảnh hưởng cho việc xác định sắt bằng thuốc thử này

Thuốc thử tạo phức với sắt được nghiên cứu trong môi trường kiềm ở pH tối ưu

6 – 8, phức bền theo thời gian và phức có thành phần Fe:R là 1:2 ở λmax=565nm ,

ε = 2,7.104

2.3 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA SẮT [8]

Sắt là nguyên tố vi chất dinh dưỡng quan trọng cho sức khỏe con người Hầu

hết lượng sắt có trong cơ thể đều tồn tại trong các tế bào máu, chúng kết hợp với protein tạo thành hemoglobin Hemoglobin mang oxi tới các tế bào của cơ thể và chính ở các tế bào này lượng oxi được giải phóng Do vậy khi thiếu sắt hàm lượng hemoglobin bị giảm làm cho hàm lượng oxy tới các tế bào cũng giảm theo Bệnh này gọi là bệnh thiếu máu do thiếu hụt sắt Các triệu chứng của bệnh thiếu máu do thiếu hụt sắt là: mệt mỏi, tính lãnh đạm, yếu ớt, đau đầu, ăn không ngon và dễ cáu

giận

Việc thừa sắt trong cơ thể cũng có những tác hại như việc thiếu sắt Nếu lượng

sắt trong cơ thể thừa nhiều, chúng gây ảnh hưởng có hại cho tim, gan, khớp và các

cơ quan khác, nếu tích trữ quá nhiều có thể gây nguy cơ bị ung thư Những triệu

chứng biểu hiện sự thừa sắt là: tư tưởng bị phân tán hoặc mệt mỏi, mất khả năng

điều khiển sinh lý, bệnh về tim hoặc tim bị loạn nhịp đập, chứng viêm khớp hoặc đau các cơ, bệnh thiếu máu không phải do thiếu sắt, bệnh về gan hoặc ung thư gan,

tắt kinh sớm (ở nữ giới) hoặc bệnh liệt dương (ở nam giới)

Mặc dù đã tiến hành nghiên cứu, nhưng các nhà khoa học cũng chưa thể đưa ra được ngưỡng gây hại do thiếu sắt hoặc thừa sắt Để phòng tránh sự lưu giữ một lượng sắt quá mức trong cơ thể người ta đã thiết lập giá trị tạm thời cho lượng tiếp

nhận tối đa hàng ngày có thể chịu được là 0,8mg/kg thể trọng

Trong hầu hết các ngành kỹ thuật hiện đại đều có liên quan tới việc sử dụng sắt

và hợp kim của sắt Như chúng ta biết, trong công nghiệp các hợp kim của sắt đóng vai trò chủ chốt trong lĩnh vực: xây dựng, giao thông vận tải, quốc phòng, chế tạo máy, dụng cụ sản xuất và đồ dùng hàng ngày FeSO4 được dùng để chống sâu bọ có

hại cho thực vật, nó được dùng trong việc sản xuất mực viết, sơn vô cơ và trong nhuộm vải FeSO4 còn dùng để tẩy gỉ kim loại và có khả năng hòa tan Cu2S tạo thành CuSO4 nên được sử dụng để điều chế Cu bằng phương pháp thủy luyện Sắt

là nguyên tố quan trọng cho sự sống và cho công nghiệp

2.4 SẮT VÀ SỰ CHUYỂN HÓA CỦA SẮT TRONG MÔI TRƯỜNG [3]

Ở điều kiện pH và pE thích hợp trong nước, các hợp chất Fe3+

giảm rất rõ rệt, trong khi đó các hợp chất Fe2+ do tạo thành liên kết phối trí với các tác nhân vòng

lại rất bền Các phức chất sắt và các phản ứng trao đổi phối tử đóng vai trò quan

trọng trong quá trình vận chuyển oxi trong cơ thể sống, cụ thể là hồng cầu

Trong dung dịch nước có độ axit cao, các ion Fe3+ hydrat sẽ tạo thành các cation

Fe3+ mà biểu hiện là các phần tạo thành liên kết Fe-O Sự phân cực hóa của liên kết ion trong phân tử nước sẽ tạo điều kiện cho sự phân hủy các proton, dẫn đến cân

bằng phân ly sau:

[Fe(OH2)6(l)]3+ [Fe(OH2)5OH(l)]2+ + H+(l) [Fe(OH2)5OH(l)]2+ [Fe(OH2)4(OH)2(l)]+ + H+(l) Cation sắt (III) có thể tham gia quá trình oxi hóa:

2[Fe(OH2)6(l)]3+ [(H2O)4.Fe(OH2).Fe(OH2)4(l)]4+ + 2H3O+(l)

Phản ứng trên rất phức tạp và là nguyên nhân gây nên quá trình khử proton hóa

và khử hydrat hóa, dẫn đến hình thành cấu trúc oligo mà thành phần của nó phụ

thuộc vào giá trị pH và hàm lượng sắt trong dung dịch Một liên kết dưới dạng dung

dịch hydroxit Fe3+

với độ polyme hóa cao xuất hiện như một sản phẩm cuối cùng

Dạng Fe(OH)3 mô tả thành phần về mặt gần đúng vì hệ số tỷ lệ của các kết tủa mới

luôn luôn dao động Trong quá trình lão hóa FeO(OH) tạo thành các polyme với cầu

nối hydro và oxo Trong quá trình thủy phân lại tiến hành qua các bậc trung gian có

tính keo, có thể bền qua các phối tử hữu cơ (axit humic) Người ta cho rằng, vòng

tuần hoàn của sắt qua sông ra biển với lượng 103 triệu tấn/năm, trong đó trên 95% ở

dạng keo tụ phân tán với đặc tính hấp phụ

Độ hòa tan Fe(OH)3 thấp hơn nhiều so với Fe(OH)2 Tương tự với các loại

muối sắt, ví dụ như photphat sắt ở điều kiện yếm khí trong nước ngầm, lớp cặn lắng

và đất đều có xu hướng chuyển hóa rất nhanh thành các ion sắt hoặc tạo các anion

kết tủa qua Fe3+/Fe2+ Ngược lại, trong hệ thống bão hòa oxy thì nồng độ Fe2+ rất

nhỏ

Trong nước tự nhiên, nồng độ Fe3+ nói chung không cao Đối với phản ứng:

FeO(OH)(r) + 4 H2O + H+(l)  [Fe(OH2)4(OH)2(l)]+

Phạm vi tồn tại liên kết Fe2+ là khu vực phạm vi có tính khử cao của vỏ Trái

Đất, nơi có chứa một lượng đáng kể FeS2 Trong quá trình phân hủy của FeS2 hoặc

của các nguồn nhiên liệu hóa thạch có chứa FeS2 sẽ xảy ra phản ứng sau với sự có

mặt của oxy và nước:

FeS2 + 3,5O2 + H2O  Fe2+ + 2SO42- + 2H+ Ion sắt trong điều kiện hiếu khí sẽ biến đổi thành ion Fe3+ Sự có mặt của ion

Fe2+trong nước tự nhiên rất có ý nghĩa đối với sự có mặt của axit hoặc các chất hữu

cơ

2.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SẮT

Phương pháp khối lượng [22]

Phương pháp này tiến hành xác định kết tủa sắt(III) dưới dạng hiđroxit để tách

sắt ra khỏi một số kim loại kiềm, kiềm thổ, Zn, Pn, Cd và một số kim loại khác Các hiđroxit của các kim loại này kết tủa ở pH cao hơn so với hiđroxit sắt (III) hoặc nó

giữ lại khi có mặt NH3 trong dung dịch Phương pháp này đơn giản nhưng không được đánh giá cao vì tốn nhiều thời gian và chỉ dùng để xác định sắt với hàm lượng

tạo phức xảy ra theo tỷ lệ ion kim loại: thuốc thử = 1:1 Với sắt(III) thường tiến hành như sau: dung dịch chứa ion sắt cần xác định được điều chỉnh pH về 2,0; thêm vài giọt chỉ thị axit sunfosalixylic 0,1M, lúc này dung dịch có màu tím, đun nóng đến 700C, và chuẩn độ bằng dung dịch EDTA 0,02M đến khi mất màu tím Sau đó

từ lượng EDTA đã tác dụng khi chuẩn độ sẽ tính được hàm lượng sắt(III) trong

mẫu

Phương pháp này tiến hành đơn giản nhưng cho sai số lớn, nồng độ Fe trong dung dịch nhỏ thì khó chuẩn độ do phải quan sát sự chuyển màu bằng mắt thường, thiếu chính xác Mặt khác, nếu dung dịch mẫu có lẫn các ion khác gây ảnh hưởng

đến kết quả của phép phân tích

Phương pháp oxi hóa - khử (phương pháp permanganat)

Phản ứng oxi – hóa bằng ion pemanganat MnO4- là cơ sở của phương pháp pemanganat Phương pháp này có thể thực hiện trong môi trường axit, kiềm và trung tính Khi thực hiện trong môi trường axit, mangan(VII) bị khử tới mangan(II)

và màu tím đỏ của dung dịch bị mất

Thực hiện chuẩn độ muối sắt (II) bằng kalipemanganat: Axit hóa dung dịch bằng dung dịch axit sunfuric và chuẩn độ tới điểm cuối Sắt(II) bị oxi hóa thành sắt (III):

5Fe2+ + MnO4- + 8H+ → 5Fe3+ + Mn2+ + 4H2O

Biết nồng độ đương lượng và thể tích cần chuẩn độ của KMnO4 dễ dàng tính

được lượng sắt trong dung dịch

Phương pháp trắc quang [5]

Sau đây là một số thuốc thử mà các nhà phân tích đã nghiên cứu

B ảng 2.1 Xác định sắt bằng phương pháp trắc quang và chiết - trắc quang

Thuốc thử dư Độ nhạy λmax (nm) pH xác

định

Thời gian

biến màu

Ảnh hưởng thuốc thử

dư α,α’-dipyridyl 0,007 522 3 – 9 1 năm Không

2,2’,2”-terpyridyl 0,005 552 3 – 10 1 năm không

3,5-disunfonyl ferron 0,015 610 2,7-3,7 1-2 tuần Không

4-hidroxylbiPhenyl-3-cacboxylic axit 0,003 575 3 1 ngày Có

Muối nitro-R 0,0023 720 3,9-5,1 6 giờ Không

o-Phenantrolin 0,007 508 2-9 1 ngày Không

Axit salixilic 0,03 520 2,5-2,7 2-3 ngày Có

Axit sunfosalixilic 0,01 430 7 Hơn 1

ngày Không Thioxianat 0,008 480 Axit Giảm Có

Nhận xét

Sắt có thể được xác định bằng nhiều phương pháp như: điện hóa, phổ hấp thụ nguyên tử… Trong điều kiện phòng thí nghiệm, loại mẫu, số lượng mẫu kết hợp với tìm hiểu ưu nhược điểm của các phương pháp xác định sắt, chúng tôi chọn phương pháp trắc quang và thuốc thử 1,10-phenantrolin để xác định sắt (II) trong đề tài này

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP

3.1 ĐỊNH NGHĨA [4]

Phân tích trắc quang là tên gọi chung của các phương pháp 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 chung của phương pháp phân tích trắc quang là muốn xác định một cấu tử X nào đó, ta chuyển nó thành hợp chất có khả năng hấp thụ ánh sáng rồi đo

sự hấp thụ ánh sáng của nó và từ đó suy ra hàm lượng cấu tử X cần xác định

3.2 SỰ HẤP THỤ ÁNH SÁNG CỦA CÁC CHẤT VÀ CÁC ĐỊNH LUẬT HẤP THỤ CƠ BẢN [4, 7]

Khi chiếu một dòng sáng có cường độ I0 vào một cuvet trong suốt có thành song song đựng dung dịch chất hấp thụ ánh sáng thì cường độ của dòng sáng sau khi ra khỏi lớp dung dịch có chiều dày l (I1) yếu hơn so với I0 Nguyên nhân của sự

giảm cường độ dòng sáng là do một phần bị phản xạ khỏi thành cuvet (Ipx), một

phần bị khuyếch tán bởi hạt rắn ở dạng huyền phù của chất hấp thụ trong dung dịch (Ikt) Ta có thể biểu diễn tổng quát quá trình hấp thụ ánh sáng khi đi qua dung dịch:

I0 = Ipx + Ikt + Iht +I Trong thực tế khi đo quang cần dùng cuvet trong suốt vì thế Ipx coi như bằng 0

Nếu dung dịch trong suốt thì Ikt = 0 nên ta có thể viết:

I0 = Iht + I

Bằng thực nghiệm có thể đo được I0 và I1, từ đó suy ra chứ không đo Iht trực

tiếp

Các định luật hấp thụ cơ bản

Định luật Bouguer-Lambert

Bằng thực nghiệm, năm 1920 nhà bác học Bouguer (Pháp) và sau đó là Lambert (Đức) đã thiết lập được định luật Bouguer-Lambert: “những lớp chất có chiều dài đồng nhất trong những điều kiện khác như nhau luôn luôn hấp thu một tỉ lệ như nhau của dòng sáng rọi vào những lớp chất đó”

I = Io 10-kl

Trong đó:Io – Cường độ dòng sáng tới chiếu vào dung dịch

I – Cường độ dòng sáng sau khi đi qua lớp dung dịch

k – Hệ số tắt, phụ thuộc vào bản chất chất hấp thụ và bước sóng ánh sáng tới

l – Chiều dày lớp dung dịch màu

Định luật Beer

Năm 1952 Beer đã xác định được rằng, hệ số k phụ thuộc tỷ lệ với nồng độ của chất hấp thụ trong dung dịch: “sự hấp thụ dòng quang năng tỷ lệ bậc nhất với số phân tử mà dòng quang năng đi qua nó”

K = εC Trong đó: C – Nồng độ chất hấp thụ (iong/l, mol/l)

ε - Hệ số không phụ thuộc vào nồng độ

Định luật hấp thụ ánh sáng cơ bản Bouguer-Lambert-Beer

Kết hợp hai định luật trên ta được định luật cơ bản của sự hấp thụ ánh sáng Bouguer-Lambert-Beer:

I = Io 10-εlCHay A = εlC Với A = lg𝐼𝑜

𝐼 là mật độ quang của dung dịch

Nếu nồng độ C được biểu diễn bằng mol/l, l bằng cm thì ε được gọi là hệ số hấp thụ phân tử gam hay hệ số tắt phân tử gam (l mol-1.cm-1)

Định luật cộng tính

Khi trong dung dịch có nhiều cấu tử màu tồn tại độc lập với nhau (không tương tác hóa học với nhau) thì mật độ quang của dung dịch ở các bước sóng đã cho bằng tổng mật độ quang của các cấu tử màu của dung dịch ở bước sóng khảo sát

Giả thiết hệ có n cấu tử như vậy: A, B, C……N thì theo định luật cộng tính có:

Aλdd= ∑

=

n i i A

Chuẩn bị mẫu phân tích

So sánh, cân bằng màu của dung dịch màu chất cần xác định với dung dịch màu chuẩn, hoặc đo Anc và Ach từ đó suy ra hàm lượng của chất cần xác định theo những phương pháp khác nhau

Các dung dịch màu chuẩn và dung dịch màu nghiên cứu được pha ở điều kiện

tối ưu của phản ứng màu

CHƯƠNG 4: XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG SẮT TRONG NƯỚC

BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRẮC QUANG SỬ DỤNG THUỐC THỬ 1,10-PHENANTROLIN [17, 18, 21]

4.1 LẤY MẪU VÀ BẢO QUẢN MẪU

Phương pháp lấy mẫu

Dụng cụ lấy mẫu được rửa sạch bằng xà phòng, sau đó rửa lại nhiều lần bằng

nước, tráng lại bằng nước cất và tráng lại bằng mẫu nước trước khi đựng mẫu đó

Lấy mẫu đơn, riêng lẻ Tất cả các dụng cụ có tiếp xúc với nước đều phải được

súc rửa Lấy đủ một thể tích nước của thủy vực được lấy mẫu để súc rửa kỹ tất cả

các dụng cụ Súc rửa bình lấy mẫu bằng cách lấy đủ nước vào bình rồi xoay bình để

nước láng đều tất cả các bề mặt bên trong bình Đổ bỏ nước súc rửa trong bình vào

phía hạ lưu nơi lấy mẫu Nhúng ngập trực tiếp các chai dựng mẫu vào nước kênh để

lấy mẫu, hướng miệng bình về phía thượng nguồn dòng chảy của nước không được

đậy trở lại nút bình lấy mẫu cho đến khi mẫu được lấy xong trừ khi nhận thấy rõ có

lẫn vào nhiều bọt khí

Mẫu ngay sau khi lấy được lọc qua giấy lọc, nước sau khi lọc được axit hóa đến

pH=1 (khoảng 3ml dung dịch H2SO4 4,5M cho 100ml mẫu)

Ngay sau khi lấy mẫu, axit mẫu đến pH<2, và bảo quản trong chai nhựa Mẫu

bền trong 1 tháng khi được axit hóa đến pH<2

1,10-phenantrolin hay còn gọi là hợp chất hữu cơ dị vòng, có khả năng tạo phức

mạnh với một số kim loại

 Công thức phân tử: C12H8N2

 Khối lượng phân tử : 180,3g/mol

độ màu không thay đổi nhiều tháng, khoảng tuân theo định luật Beer là 0,13-5ppm

Do trong nước sắt tồn tại ở cả 2 dạng sắt (II) và sắt (III) Vì vậy muốn xác định

tổng hàm lượng sắt trong nước cần chuyển toàn bộ Fe3+

thành Fe2+ bằng tác nhân

khử như hydroxylamine, hydroquynon hay hydrazine

Sau đó, tạo phức với thuốc thử 1,10-phenantrolin ở pH từ 2,9 đến 3,5: một ion

Fe2+ sẽ kết hợp với 3 phân tử thuốc thử để hình thành phức có màu đỏ cam Đo mật

độ quang của dung dịch phức ở bước sóng 510nm để xác định hàm lượng sắt

Fe(OH)3 + 3H+  Fe3+ + 3H2O 5Fe3+ + NH2OH + H2O 5Fe2+ + NO2 + 5H+

Fe2+ + 3

3Fe

2+

4.2 HÓA CHẤT

- Nước cất 2 lần

- Axit sunfuric ρ = 1,84 g/ml

- Dung dịch axit clohidric HCl ρ = 1,12 g/ml, CHCl=7,7 mol/l

- Dung dịch axit sunfuric C = 4,5 mol/l

Hòa tan một thể tích axit sunfuric đặc vào 3 thể tích nước cất

- Dung dịch đệm axetat amoni

Hòa tan 250g CH3COONH4 trong 150ml nước Thêm 700ml axit axetic băng vào

- Hydroxylamin NH2OH.HCl 10%