Bài giảng Phân tích môi trường

Nguyên tắc của phƣơng pháp này cũng giống nhƣ trong phân tích so màu quang điện, đầu tiên phải pha đƣợc một dãy dung dịch chuẩn có nồng độ thật chính xác sau đó chọn các điều kiện giốn[r]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP - 2018

THS BÙI VĂN NĂNG

CN TRẦN THỊ ĐĂNG THUÝ

PH¢N TÝCH M¤I TR¦êNG

THS BÙI VĂN NĂNG, CN TRẦN THỊ ĐĂNG THUÝ

BÀI GIẢNG

PHÂN TÍCH MÔI TRƯỜNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP - 2018

i

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

Chương 1 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ PHÂN TÍCH MÔI TRƯỜNG 3

1.1.Khái niệm môi trường 3

1.2.Khái niệm phân tích môi trường 3

1.3.Quy trình các bước trong phân tích môi trường 3

1.4 Sự lựa chọn phương pháp để phân tích môi trường 7

1.5 Xử lý thống kê trong phân tích môi trường 7

1.5.1 Giá trị trung bình 7

1.5.2 Sai số 8

1.5.3 Độ lệch tiêu chuẩn 9

1.5.4 Độ thu hồi của phương pháp phân tích 12

1.6 Phép loại trừ kết quả nghi ngờ 13

1.7 Khoảng tin cậy 14

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1 16

Chương 2.MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MÔI TRƯỜNG 17

2.1 Phương pháp so màu quang điện 17

2.1.1 Khái niệm và nguyên tắc của phương pháp 17

2.1.2 Định luật cơ bản của phương pháp so màu (Định luật Lămbe-Bia) 17

2.1.3 Các đại lượng dùng trong phương pháp so màu 18

2.1.4.Các tính chất của mật độ quang 19

2.1.5 Các nguyên nhân làm sai lệch định luật Lămbe-Bia 20

2.1.6 Các phương pháp định lượng 22

2.1.7 Phạm vi áp dụng của phương pháp so màu quang điện 24

2.2 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) 24

2.2.1 Cơ sở lý thuyết 24

2.2.2 Nguyên tắc của đo quang phổ hấp thụ nguyên tử 25

2.2.3 Một số phương pháp định lượng bằng quang phổ hấp thụ nguyên tử 29

2.2.4 Những ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng của phép đo AAS 30

2.2.5 Quy trình chuẩn bị mẫu cho phân tích quang phổ hấp thụ nguyên tử 31

2.3 Phương pháp sắc ký 33

2.3.1 Lược sử phát triển của phương pháp sắc ký 33

2.3.2 Khái niệm và phân loại các phương pháp sắc ký 33

2.3.3 Quá trình tách sắc ký 35

ii

2.3.4 Đặc tính sắc ký của chất tan 37

2.3.5 Hiệu quả cột tách và độ phân giải 39

2.3.6 Phương pháp sắc ký khí 40

2.3.7 Một số kĩ thuật chuẩn bị mẫu 48

2.4 Phương pháp khối phổ 51

2.4.1 Nguyên tắc chung 51

2.4.2 Kỹ thuật thực nghiệm 52

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 2 55

Chương 3.PHÂN TÍCH NƯỚC 56

3.1 Đại cương về các loại nước 56

3.1.1 Nước thiên nhiên 56

3.1.2 Nước thải 57

3.2 Các thông số để đánh giá chất lượng nước 58

3.2.1 Các thông số đánh giá nguồn nước cho mục đích sử dụng 58

3.2.2 Các thông số chỉ thị đánh giá các nguồn ô nhiễm khác nhau 60

3.3 Lấy mẫu và bảo quản mẫu nước 61

3.3.1 Lấy mẫu 61

3.3.2 Xử lý và bảo quản mẫu trước khi phân tích 63

3.4 Xác định một số thông số đánh giá chất lượng nước 66

3.4.1 Xác định pH 66

3.4.2 Xác định hàm lượng oxi hoà tan (DO) 66

3.4.3 Xác định tổng chất rắn, chất rắn hòa tan và chất rắn lơ lửng trong nước 68 3.4.4 Xác định nhu cầu oxi sinh hoá (BOD) 69

3.4.5 Xác định nhu cầu oxi hoá hoá học (COD) 70

3.4.6 Xác định đồng 71

3.4.7 Xác định chì bằng phương pháp trắc quang Dithizon 73

3.4.8 Xác định kẽm bằng phương pháp trắc quang Dithizon 74

3.4.9 Xác định thủy nhân bằng phương pháp trắc quang Dithizon 75

3.4.10 Xác định sắt 76

3.4.11 Xác định mangan bằng phương pháp trắc quang 78

3.4.12 Xác định crom trong nước bằng phương pháp so màu 78

3.4.13 Xác định Coban, Niken, Đồng, Kẽm, Cadimi và Chì bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa 79

iii

3.4.14 Xác định Clo bằng phương pháp chuẩn độ muối Morh 81

3.4.15 Xác định nitrat 82

3.4.16 Xác định hàm lượng amoni theo phương pháp Nessler 82

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 3 83

Chương 4.PHÂN TÍCH ĐẤT 84

4.1 Lấy mẫu và chuẩn bị sơ bộ mẫu đất 84

4.2 Phân tích một số chỉ tiêu đánh giá chất lượng đất 86

4.2.1 Xác định độ ẩm và hệ số khô kiệt của đất 86

4.2.2 Xác định chất hữu cơ trong đất 86

4.2.3 Độ chua và cách xác định độ chua của đất 89

4.2.4.Xác định dung tích trao đổi cation của đất 92

4.2.5 Xác định một số kim loại nặng trong đất 93

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 4 101

Chương 5 PHÂN TÍCH KHÍ 102

5.1 Một số tính chất lý hoá của không khí 102

5.2 Lấy mẫu không khí 104

5.2.1 Địa điểm và vị trí lấy mẫu 104

5.2.2 Nguyên tắc lấy mẫu 105

5.2.3 Bảo quản và vận chuyển mẫu 107

5.3 Xác định một số chỉ tiêu trong không khí 107

5.3.1 Phương pháp khối lượng xác định bụi lắng 107

5.3.2 Xác định lơ lửng tổng số theo phương pháp khối lượng 108

5.3.3 Xác định hàm lượng lưu huỳnh đioxit theo phương pháp trắc quang Thorin 108 5.3.4 Xác định SO 2 bằng phương pháp TCM-Pararosanilin 110

5.3.5 Xác định hàm lượng NO 2 trong không khí bằng phương pháp Griess 111

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 5 113

PHỤ BIỂU 115

PHỤ BIỂU 01 114

PHỤ BIỂU 02 116

PHỤ BIỂU 03 118

TÀI LIỆU THAM KHẢO 122

iv

1

LỜI MỞ ĐẦU

Ô nhiễm môi trường ngày càng trở lên nghiêm trọng tại nhiều nơi trên thế giới Nó đã ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe của cộng đồng Chính vì vậy, việc quan trắc và phân tích chất lượng môi trường để đánh giá hiện trạng môi trường nhằm kiểm soát mức độ ô nhiễm ngày càng được quan tâm và trở lên quan trọng trong chính sách bảo vệ môi trường của mỗi quốc gia Trong chương trình đào tạo cử nhân ngành Khoa học môi trường tại trường Đại học Lâm nghiệp Việt Nam, môn học Phân tích môi trường được xác định là môn học cơ sở cốt lõi của ngành với thời lượng 3 tín chỉ (2 tín chỉ lý thuyết và 1 tín chỉ thực hành) Mục tiêu của môn học nhằm cung cấp cho sinh viên những kiến thức và kỹ năng về phương pháp thu thập mẫu, lấy mẫu, bảo quản và phân tích mẫu môi trường bằng các phương pháp phân tích được sử dụng rộng rãi hiện nay.Với mục tiêu

đó bài giảng này được thiết kế thành 5 chương:

Chương 1 Một số vấn đề chung về phân tích môi trường;

Chương 2: Một số phương pháp phân tích môi trường;

Trong quá trình biên soạn mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót về nội dung và hình thức.Tác giả rất mong nhận được

sự đóng góp ý kiến của bạn đọc để bài giảng được hoàn thiện hơn

Thay mặt nhóm tác giả

Bùi Văn Năng

2

3

Chương 1 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ PHÂN TÍCH MÔI TRƯỜNG

1.1 Khái niệm môi trường

Theo Luật BVMT 2014, môi trường là hệ thống các yếu tố tự nhiên và vật chất nhân tạo có tác động tới sự tồn tại và phát triển của con người và sinh vật Thành phần của môi trường tự nhiên bao gồm đất, nước, không khí, âm thanh và ánh sáng, sinh vật và các hình thái vật chất khác

1.2 Khái niệm phân tích môi trường

Phân tích môi trường là sự đánh giá về môi trường tự nhiên và những suy thoái của chúng do con người cũng như các nguyên nhân khác gây ra.Nó bao gồm các quá trình điều tra, thu thập mẫu và phân tích mẫu bằng các phương pháp phân tích tương ứng để từ đó đánh giá được chất lượng môi trường tại thời điểm lấy mẫu nghiên cứu

Đối tượng trong phân tích môi trường là các thành phần cơ bản của môi trường tự nhiên như đất, nước, không khí, sinh vật trong đó các nhân tố có trong các thành phần trên có nguy cơ làm suy thoái, ô nhiễm chúng là mục tiêu cần phải được xác định cả về mặt định tính và định lượng nhằm kiểm soát được chất lượng môi trường tại thời điểm quan trắc, tạo cơ sở dữ liệu phục vụ cho các mục tiêu nghiên cứu lâu dài Phân tích môi trường không chỉ là một mục tiêu nghiên cứu của ngành khoa học môi trường mà nó còn là một công cụ phục vụ đắc lực cho các đối tượng nghiên cứu khác của ngành khoa học môi trường Các kết quả thu được trong phân tích môi trường là cơ sở quan trọng để đưa ra các quyết định cho các biện pháp phòng ngừa và khắc phục hậu quả của ô nhiễm môi trường

1.3 Quy trình các bước trong phân tích môi trường

Trong phân tích môi trường, để đưa ra được một kết quả có độ đúng và độ lặp lại cao đòi hỏi phòng thí nghiệm phải tuân thủ các quy định nghiêm ngặt Có rất nhiều các yếu tố có thể ảnh hưởng đến kết quả phân tích bởi để có được một kết quả phân tích mẫu môi trường phải trải qua rất nhiều các giai đoạn khác nhau Giai đoạn nào cũng có thể gây sai số cho kết quả đo Có thể khái quát các bước trong phân tích môi trường theo quy trình như sau:

- Điều tra ban đầu: Công việc điều tra ban đầu có tính định hướng cho cả quá trình nghiên cứu, nó bao gồm việc xác định các nguồn thải, đặc tính nguồn thải, các điều kiện về địa lý địa hình để từ đó có phương án cụ thể lựa chọn thông số phân tích, vị trí các điểm lấy mẫu và kế hoạch lấy mẫu Đối với mẫu

4

nước thải của nhà máy cần phải căn cứ vào nguyên nhiên liệu đầu vào, quy trình công nghệ sản xuất để dự đoán được tính chất của nước thải cũng như các chất ô nhiễm có thể có trong nước thải;

Hình 1.1 Sơ đồ các bước trong phân tích môi trường

- Lấy mẫu: Mẫu được lấy phải có tính đại diện cho vùng nghiên cứu Việc lấy mẫu không khí và mẫu nước sẽ phức tạp hơn nhiều so với lấy mẫu đất vì hàm lượng chất ô nhiễm trong không khí và nước biến đổi nhanh theo thời gian

và không gian Do đó trước khi lấy mẫu phải có kế hoặch cả về thời gian, địa điểm và tần suất lấy mẫu cho phù hợp với từng đối tượng Nếu quá trình lấy mẫu không chính xác thì việc phân tích dù có chính xác đến đâu cũng không phản ánh được nồng độ chính xác của chất phân tích trong môi trường tại thời điểm

lấy mẫu;

- Xử lý ban đầu: Xử lý mẫu ngay tại hiện trường để tránh các hiện tượng kết tủa, mất mát do bay hơi hoặc phân hủy chất bởi vi sinh vật Đối với các thông số khác nhau quy trình xử lý cũng khác nhau Ví dụ, lấy mẫu nước để phân tích kim loại nặng tổng số cần được axit hóa ngay sau khi lấy mẫu Mẫu

Đánh giá kếtquả

5

nước lấy để phân tích các chất hữu cơ(thông qua BOD, COD) và các hợp chất của nitơ, phốt pho cần được giữ ở nhiệt độ thấp (4oC) Phân tích các chất khí hòa tan trong nước, mẫu cần được lấy đầy tràn chai đựng mẫu và bảo quản lạnh tránh ánh sáng;

- Vận chuyển mẫu: Đây là quá trình nhằm đưa mẫu từ địa điểm lấy mẫu

về phòng phân tích Trước khi vận chuyển mẫu phải được để an toàn trong các dụng cụ chuyên dùng, tránh làm nhiễm bẩn, mất mẫu Mẫu được ghi đầy đủ các thông tin như ngày giờ lấy mẫu, địa điểm lấy mẫu, người lấy mẫu,…;

- Bảo quản mẫu: Các mẫu khi được mang về tới phòng thí nghiệm phải có

kế hoạch bảo quản ngay Thời gian bảo quản phải tuỳ thuộc vào từng chất phân tích, tốt nhất là nên phân tích ngay;

- Phân tích mẫu: Trước khi phân tích người phân tích phải lựa chọn được một phương pháp phân tích thích hợp đảm bảo độ chính xác cũng như giới hạn phát hiện tốt nhất Đây là công việc phức tạp nhất, yêu cầu đối với người phân tích phải có đủ kĩ năng và kinh nghiệm làm phân tích;

- Xử lý kết quả: Đây là công việc nhằm đưa ra kết quả phân tích, đối với trường hợp phân tích hàng loạt mẫu hoặc phân tích lặp lại nhiều lần cần thiết phải sử dụng một số thuật toán thống kê để đưa ra kết quả đảm bảo độ đúng và

độ chính xác;

- Đánh giá kết quả: Từ kết quả phân tích ta có thể đánh giá được hiện trạng môi trường tại thời điểm quan trắc, kết hợp với những kết quả điều tra ban đầu có thể đánh giá lại kết quả phân tích của mình có đủ tin cậy hay không, nếu không thì phải xem lại toàn bộ quá trình phân tích xem có sai sót tại giai đoạn nào để điều chỉnh cho phù hợp;

Để đảm bảo và kiểm soát chất lượng trong phân tích môi trường các phòng thí nghiệm phải hội đủ các điều kiện sau đây:

+Nhân tố con người: Cán bộ làm công tác phân tích trong phòng thí nghiệm ngoài yêu cầu về trình độ chuyên môn, tay nghề còn phải có đức tính kiên trì, cẩn trọng trong quá trình làm việc;

+ Các tài liệu và phương pháp tiêu chuẩn: Các phòng thí nghiệm phải có các tài liệu và phương pháp tiêu chuẩn hướng dẫn trong quá trình phân tích Các tiêu chuẩn được dùng có thể là tiêu chuẩn ngành (TCN) hoặc tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) hoặc quốc tế hoặc cũng có thể là phương pháp của phòng thí nghiệm có hiệu lực cho phép;

6

+ Hoá chất và thuốc thử: Hoá chất và thuốc thử phải đảm bảo độ tinh khiết cao và chính xác về nồng độ, thời hạn sử dụng Trong các phép phân tích lượng vết (phương pháp sắc ký, quang phổ hấp thụ nguyên tử) độ tinh khiết của hoá chất có vai trò quan trọng ảnh hưởng rất lớn đến kết quả cũng như giới hạn của phương pháp;

+ Trang thiết bị máy móc: Trong phân tích, sai số của kết quả là không tránh khỏi trong đó nhiều trường hợp là do máy móc thiết bị phân tích Vì vậy phải kiểm tra thường xuyên máy móc thiết bị Trước khi phân tích các thiết bị phải được kiểm tra, chuẩn hoá và phải đạt độ ổn định cao Các dụng cụ phân tích phải đảm bảo sạch sẽ đặc biệt là trong các phép phân tích lượng vết;

+Kiểm tra thường xuyên các

sẽ nằm trên một đường thẳng, đường thẳng đó gọi là đường hồi quy tuyến tính Phương trình hồi quy tuyến tính đó dùng để xác định lượng chất phân tích khi biết tín hiệu đáp ứng của thiết bị Trong thực tế do sai số nên không bao giờ các điểm luôn nằm trên một đường thẳng mà chúng sẽ lệch khỏi đường thẳng ít nhiều và chỉ tuyến tính trong một khoảng nồng độ nào đó Khi định lượng ta cố gắng pha loãng hoặc làm giàu chất phân tích sao cho có nồng độ nằm trong khoảng nồng độ tuyến tính của đường chuẩn Như vậy kiểm tra thường xuyên các đường chuẩn là công việc hết sức quan trọng nhằm tránh các sai số đáng

y = 0,1135x + 0,0184 R² = 0,9989

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

C (mg/l)

7

tiếc Thông thường đường chuẩn được kiểm tra lại trong mỗi một ngày làm việc khác nhau Nếu thấy sai số lớn hơn 5% thì phải xây dựng lại đường chuẩn

1.4 Sự lựa chọn phương pháp để phân tích môi trường

Trước khi tiến hành phân tích mẫu môi trường, người phân tích phải lựa chọn được một phương pháp thích hợp để phân tích Việc đưa ra được một phương pháp thích hợp phải căn cứ vào đối tượng nghiên cứu, khả năng tài chính, thời gian phân tích,…và phải luôn đảm bảo được độ chính xác của kết quả phân tích trong giới hạn cho phép Các phương pháp được lựa chọn phải trả lời được những câu hỏi sau:

- Sử dụng phương pháp phân tích nào?

- Lượng mẫu có đủ nhiều cho phòng thí nghiệm không?

- Yếu tố nào hạn chế sự phát hiện, độ chính xác của của phương pháp phân tích được sử dụng?

- Người sẽ tiến hành phân tích?

- Những vấn đề gì cần chú ý để tránh làm nhiễm bẩn mẫu trong quá trình bảo quản mẫu?

- Các chỉ tiêu nào cần phân tích để phản ánh thực tế khả năng độc hại của môi trường? Hàm lượng hay dạng tồn tại của các nguyên tố hoá học?

- Trang thiết bị sử dụng có phù hợp với điều kiện thực tế của phòng thí nghiệm hay không?

1.5 Xử lý thống kê trong phân tích môi trường

Khi phân tích các mẫu, mỗi mẫu làm nhiều thí nghiệm:

Mẫu 1: Làm n1 lần thí nghiệm, giá trị trung bình của mẫu M1 là ̅

8

Mẫu 2: Làm n2 lần thí nghiệm, giá trị trung bình của mẫu M2 là ̅

Mẫu 3: Làm n3 lần thí nghiệm, giá trị trung bình của mẫu M3 là ̅

………

Mẫu n: làm nn lần thí nghiệm, giá trị trung bình của mẫu Mn là ̅

Khi đó giá trị trung bình của các mẫu thí nghiệm là ̅:

Vị trí 1: Phân tích 3 mẫu, giá trị trung bình là 0,53 mg/kg;

Vị trí 2: Phân tích 4 mẫu, giá trị trung bình là 0,41 mg/kg;

Vị trí 3: Phân tích 2 mẫu, giá trị trung bình là 0,67 mg/kg;

Vị trí 4: Phân tích 1 mẫu, giá trị thu được là 0,60 mg/kg;

Vị trí 5: Phân tích 5 mẫu, giá trị trung bình là 0,39 mg/kg

Vậy giá trị trung bình hàm lượng Pb trong khu vực bãi thải là:

Hàm lượng Pb:

1.5.2 Sai số

- Khái niệm:Sai số là sự chênh lệch giữa giá trị thu được bằng thực

nghiệm với giá trị thực của mẫu Mặc dù khi phân tích lặp lại cùng một mẫu môi trường với nhiều lần khác nhau theo đúng một quy trình nhưng các kết quả thu được hầu như vẫn có sự khác nhau (không giống hệt nhau), điều đó chứng tỏ các kết quả đo được luôn có sai số và kết quả mà ta thu được chỉ là kết quả gần đúng

- Nguyên nhân gây ra sai số: Là do sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên

+ Sai số hệ thống (sai số xác định): Là các sai số do các nguyên nhân cố định gây ra, nó lặp đi lặp lại trong mọi thí nghiệm, không phụ thuộc vào không gian, thời gian và người làm thí nghiệm Sai số hệ thống luôn luôn có dấu "+" hoặc "-" nghĩa là các giá trị thực nghiệm đều nằm về một phía của giá trị thực Sai số hệ thống có thể là do phương pháp phân tích không chính xác, do dụng cụ

sử dụng trong quá trình phân tích (cân, buret, pipet, thiết bị đo, ) không chính xác, do hoá chất không tinh khiết có lẫn tạp chất,… Loại sai số này có thể phát hiện và loại trừ được bằng cách sử dụng mẫu trắng (mẫu có thành phần như mẫu

9

phân tích nhưng không có chất cần xác định) hoặc mẫu chuẩn Trong nhiều trường hợp ta có thể tiến hành thí nghiệm song song cùng một mẫu phân tích ở nhiều phòng thí nghiệm khác nhau để kiểm tra sai số này Sai số hệ thống phản ánh sự sai lệch giữa giá trị trung bình với giá trị thực nên sai số này còn nói lên

độ đúng của quá trình phân tích

+ Sai số ngẫu nhiên (sai số không xác định): Là sai số gây ra do những nguyên nhân không cố định, không biết trước, thay đổi không theo quy luật khi

"-" khi "+" Nguyên nhân gây ra có nhiều như bị nhiễm bẩn, cân, đo, đong, đếm sai, kỹ thuật thao tác thiếu cẩn thận làm sai lệch, rơi vãi mẫu Sai số ngẫu nhiên chỉ có thể làm giảm bớt bằng cách làm thí nghiệm thật cẩn thận, tăng số lần phân tích và xử lý các số liệu thu được bằng toán học thống kê Sai số này phản ánh sự sai lệch giữa từng giá trị thí nghiệm riêng rẽ với giá trị trung bình do đó

nó còn nói lên độ lặp lại của phép phân tích

- Cách biểu diễn sai số:

+ Sai số tuyệt đối: 

 | ̅ | Trong đó: - là giá trị trung bình của các lần phân tích lặp lại

-  là giá trị thực của chất cần phân tích;

-  có cùng thứ nguyên với và  + Sai số tương đối: S

̅

| ̅ | ̅ Sai số tương đối không có thứ nguyên Trong thực tế người ta thường sử dụng sai số tương đối vì nó phản ánh được độ đúng của phép phân tích hơn

1.5.3 Độ lệch tiêu chuẩn

Độ lặp lạihay độ chụm (precision) cho biết mức độ gần nhau của các kết quả phân tích độc lập trong cùng điều kiện quy định Các kết quả đo lường trên cùng một mẫu với cùng một thông số được so sánh với giá trị trung bình của các kết quả thu được Trong đo lường, một thiết bị có thể cho kết quả phân tích có

độ lặp lại cao nhưngđộ đúng (accuracy) lại thấp và ngược lại

x

x

n

x x

x

x1  2  3   n

x

10

Hình 1.3 Độ lệch tiêu chuẩn

Chỉ số thống kê được sử dụng thông thường nhất để ước lượng độ lặp lại chính là độ lệch chuẩn (standard deviation-SD) và độ lệch chuẩn tương đối (relative standard deviation-RSD) RSD cũng được biết đến như là hệ số biến thiên (coefficient of variation – CV).Độ lệch chuẩn được hiểu như để đặc trưng cho độ phân tán của các kết quả thí nghiệm trong các lần phân tích lặp lại so với giá trị trung bình đại số của các kết quả đo Độ lệch tiêu chuẩn được tính bằng căn bậc hai của phương sai

n

i i

1

1

2

1 2

x x

11

Ví dụ 1: Hàm lượng phốt pho tổng số trong nước thải sau khi xử lý với sáu

lần phân tích lặp lại trong cùng điều kiện là: 5,3;4,9;5,1;5,5;4,7 và 5,0 mg/l.Độ lệch tiêu chuẩn được tính như sau:

Ví dụ 2: Nếu kết quả phân tích phốt pho tổng số của mẫu nước thải đầu

vào trước khi xử lý lớn gấp mười lần giá trị đầu ra,tức là bằng 53;49;51;55;47 và

50 mg/l, khi đó độ lệch tiêu chuẩn sẽ là:

√

Như vậy, độ lệch chuẩn sẽ biến đổi theo độ lớn các giá trị đo do đó không thể sử dụng độ lệch tiêu chuẩn để so sánh độ chính xác của các kết quả phân tích mẫu nước thải đầu ra (ví dụ 1) và kết quả phân tích mẫu nước thải đầu vào (ví dụ 2) Khi đó sử dụng RSD (hoặc CV) sẽ giải quyết được vấn đề này do RSD cho biết tính biến thiên của mẫu đó theo phần trăm với giá trị trung bình

Độ lệch chuẩn tương đối RSD (Relative Standard Deviation): Là tỉ số

giữa độ lệch chuẩn và giá trị trung bình đại số của các giá trị phân tích:

Độ khác nhau phần trăm tương đối RPD:Trong phân tích môi trường,

thông thường việc lặp lại nhiều lần phân tích là khó thực hiện được,vì vậy sai

5 , 30

% 100 8 , 50

86 ,

*

x S

1.5.4 Độ thu hồi của phương pháp phân tích

Độ độ thu hồi của phương pháp thể hiện qua kết quả phân tích của một phương pháp xác định so với giá trị thực của nó có trong mẫu.Trong phân tích môi trường,đối tượng phân tích rất đa dạng và phong phú, đặc biệt trong phân tích lượng vết thì việc đưa ra một phương pháp chuẩn để phân tích là một vấn đề đang được rất nhiều các nhà nghiên cứu cũng như các phòng thí nghiệm quan tâm Một phương pháp được coi là tốt khi độ thu hồi của nó phải đạt từ 70% đến 110% Dựa vào độ thu hồi của phương pháp có thể điều chỉnh được kết quả phân tích sao cho có độ đúng cao nhất

Độ thu hồi của phương pháp có thể được tính bằng cách tiến hành phân tích hai mẫu song song lấy từ cùng một mẫu trung bình kiểm định, trong đó một mẫu được đưa thêm một lượng chất chuẩn đã biết còn các điều kiện phân tích khác như nhau Kết quả được tính như sau:

R (%) = Trong đó:

R là độ thu hồi của phương pháp;

m0 là lượng chất chuẩn cho thêm vào mẫu;

m1 là lượng chất tìm lại được trong mẫu thêm chất chuẩn;

m2 là lượng chất phát hiện được trong mẫu không thêm chất chuẩn

5 , 13

% 100 2

7 , 9 1 , 11

7 , 9 1 , 11

* 2

2 1

2 1

a a

a a RPD







1.6 Phép loại trừ kết quả nghi ngờ

Trong một số phép phân tích lặp lại có thể có một vài kết quả có giá trị lệch nhiều so với các kết quả còn lại,vậy cần phải loại trừ hay giữ lại các kết quả

đó Trường hợp này có thể dùng phép kiểm tra Q (chuẩn Đisơn) để xử lý Phép kiểm tra này áp dụng khi số lần phân tích trong khoảng từ 3 đến 8

Chuẩn Đisơn được tính theo công thức:

-Nếu Qtn> Qlt: cần loại bỏ giá trị này;

-Nếu Qtn <Qlt: không phải loại bỏ giá trị này

Giá trị Qlt được tra trong bảng sau:

min max X X

X X

Ví dụ 4: Khi xác định hàm lượng amoni trong mẫu nước thải sau sáu lần

phân tích lặp lại ta thu được các kết quả: 2,19; 2,11; 2,25; 2,32; 2,38; 3,21 (mg/l) Hỏi có phải loại bỏ giá trị nào không?

Qtn< Qlt : không phải loại bỏ giá trị 2,38 mg/l

- Kiểm tra giá trị nhỏ nhất XA = xmin = 2,19

Qtn = Với n = 5 và chọn P = 95% thì Qlt = 0,64

Qtn< Qlt : không phải loại bỏ giá trị này

1.7 Khoảng tin cậy

Trong thực tế phân tích, từ một số hữu hạn cho phép ta có kết quả trung bình.Độ đúng đắn của kết quả phân tích được đánh giá bằng phương pháp thống

kê, qua đó có thể ước lượng được giá trị thực của mẫu nằm trong khoảng giới hạn nào ứng với một xác suất nhất định Khoảng giới hạn đó được gọi là khoảng tin cậy.Theo phân bố Student ta có thể ước lượng được khoảng tin cậy phụ thuộc

85 , 0 11 , 2 21 , 3

38 , 2 21 , 3

32 , 2 38 , 2

19 , 2 11 , 2







15

vào số lượng phép đo và xác suất tin cậy thông qua giá trị của hằng số t Hằng số

t phụ thuộc vào số lượng phép đo n (thường dùng là bậc tự do K = n-1) và độ tin cậy (thường chọn 90%; 95% hoặc 99%)

Khoảng tin cậy đối với ̅ là:

[ ̅

√ ; ̅

√ ] Trong đó:

̅ là giá trị trung bình;

S: là độ lệch chuẩn;

n: số lần phân tích;

t: là phân phối students được cho ở bảng 1.2

Bảng 1.2 Bảng tra phân phối students Bậc

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1

1.Phân tích COD trong nước thải sau 6 lần phân tích lặp lại thu được các kết quả sau: 100,0; 97,6; 103,5; 88,6; 90,4; 100,6 mg/l Hỏi có phải loại bỏ kết quả nào không? Tính giá trị trung bình, độ lệch chuẩn và độ lệch chuẩn tương đối,

khoảng tin cậy với xác suất P =95%

2.Cách kiểm tra độ đúng và độ lặp lại của kết quả thí nghiệm?

17

Chương 2 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MÔI TRƯỜNG

Ngày nay, để định lượng một chất có rất nhiều các phương pháp phân tích khác nhau Đối với các mẫu môi trường, do hàm lượng các chất phân tích có hàm lượng nhỏ, thường có hàng loạt mẫu phân tích cho một chỉ tiêu nên nhóm phân tích thường được ưu tiên lựa chọn là nhóm phân tích hoá lý (phương pháp phân tích công cụ).Do các phương pháp phân tích công cụ có đặc điểm nổi bật là phân tích chọn lọc, xác định được những lượng chất rất nhỏ, phân tích được hàng loạt mẫu trong thời gian ngắn dưới sự trợ giúp của các hệ thống điều khiển như máy tính, máy ghi Nhóm phương pháp phân tích này là sự kết hợp giữa các phản ứng hoá học và hệ thống điện tử hiện đại

2.1 Phương pháp so màu quang điện

2.1.1 Khái niệm và nguyên tắc của phương pháp

-Khái niệm: Phương pháp so màu quang điện là phương pháp phân tích 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 nhờ tế bào quang điện

-Nguyên tắc: Nguyên tắc của phương pháp so màu quang điện là muốn xác

định một cấu tử X nào đó ta chuyển chúng thành hợp chất có khả năng hấp thụ ánh sáng rồi đo sự hấp thụ ánh sáng đó và suy ra hàm lượng chất cần xác định X

X + R XR (chất cần xác định) (thuốc thử) (hợp chất hấp thụ ánh sáng)

Ví dụ: Fe3+ + SCN- Fe(SCN)3

Như vậy, phản hoá học đóng vai trò chủ đạo trong phân tích so màu quang điện Thời gian phân tích, độ chính xác và tính chọn lọc của phương pháp phụ thuộc chủ yếu vào việc lựa chọn phản ứng hoá học và các điều kiện tối ưu để hình thành chất hấp thụ ánh sáng

2.1.2 Định luật cơ bản của phương pháp so màu (Định luật Lămbe-Bia)

Nếu chiếu một chùm sáng có cường độ I0 vào một cuvet đựng dung dịch thì một phần của nó (có cường độ Ir) bị phản xạ từ mặt cuvet, một phần khác (cường độ Ia) bị dung dịch hấp thụ, phần còn lại It đi qua cuvet Ta có biểu thức:

I0 = Ia + Ir + ItKhi sử dụng một loại cuvet có thể xem cường độ dòng ánh sáng phản xạ là không đổi và không đáng kế nên có thể bỏ qua Khi đó phương trình có dạng:

I0 = Ia + It

18

I0 và It có thể đo trực tiếp, do đó Ia tìm được theo công thức:

Ia = I0 - ItDựa trên nghiên cứu thực nghiệm Bugơ và Lămbe đã thiết lập định luật và phát biểu như sau:

Những lớp chất có chiều dày đồng nhất trong những điều kiện khác như nhau, luôn hấp thụ một tỷ lệ bằng nhau của chùm sáng chiếu vào những lớp chất đó

Biểu thức toán học của định luật là:

It = I0.e-kl Trong đó:

- k: Hệ số tắt, nó phụ thuộc vào bản chất chất tan và bước sóng ánh sáng chiếu vào dung dịch Do đó định luật Bugơ-Lămbe-Bia chỉ đúng cho tia đơn sắc;

cm thì ε được gọi là hệ số tắt phân tử hay hệ số hấp thụ phân tử;ε là đại lượng không đổi phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, bản chất chất tan và nhiệt độ dung dịch

2.1.3 Các đại lượng dùng trong phương pháp so màu

* Độ truyền qua (T)

Tỉ số giữa cường độ chùm sáng khi đi qua dung dịch (T) với cường độ chùm sáng chiếu vào dung dịch (I0) đặc trưng cho độ truyền qua của ánh sáng chiếu vào dung dịch được gọi là độ truyền qua, ký hiệu là T

l C t

I

I I

0

0 0

10 10

.   



Khi l = 1cm thì T là hệ số truyền quang

* Mật độ quang (D - Density):Hay còn gọi là độ hấp thụ quang kí hiệu là

A (Absorbance),là logarit của đại lượng nghịch đảo với độ truyền qua gọi là mật

độ quang D

độ môi trường ta có D = f(, C, l)

- Trường hợp đo mật độ quang D của một dung dịch có nồng độ C với cùng một cuvet có chiều dài l không đổi thì mật độ quang sẽ phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng chiếu vào dung dịch (D = f()) Đồ thị (phổ hấp thụ ánh sáng) là một

2.1.5 Các nguyên nhân làm sai lệch định luật Lămbe-Bia

2.1.5.1 Các dấu hiệu làm sai lệch định luật Lămbe-Bia

Ta biết:

D = f(, C, l) = .C l

a Nếu đo mật độ quang tại một bước sóng  nhất định thì đường biểu diễn

D = f(C) hoặc D = f(l) phải là một đường thẳng có dạng y = a.x + b Do đó khoảng nồng độ mà sự hấp thụ ánh sáng tuân theo định luật Lămbe-Bia phải là đoạn thẳng Khi nồng độ quá loãng hoặc quá đặc thì đường biểu diễn D = f(C) thường bị cong, đó là những khoảng không tuân theo định luật cơ bản của Bugơ-Lămbe-Bia

b Nếu phổ hấp thụ D = f() của các dung dịch có nồng độ khác nhau có cùng một giá trị max thì sự hấp thụ tuân theo định luật Còn nếu max của các phổ

mà lệch nhau chứng tỏ sự hấp thụ ánh sáng của các dung dịch không tuân theo định luật

2.1.5.2.Những nguyên nhân gây lên sự sai lệch định luật Lămbe-Bia

a Ảnh hưởng của sự pha loãng dung dịch

Đối với những chất càng bền độ phân ly khi pha loãng càng ít thì sai số sẽ nhỏ.Ngược lại với những phức kém bền thì sự phân ly khi pha loãng càng nhiều,

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25

D

C(mg/l)

21

sai số lớn Do đó để hạn chế sự ảnh hưởng này thì không nên để dung dịch quá lâu trước khi đo quang và dung dịch càng dư thuốc thử thì càng tốt

b Ảnh hưởng của ion H +

Thuốc thử dùng trong phân tích trắc quang thường là các axit hay bazơ do

đó nồng độ ion H+

có ảnh hưởng đến sự phân ly của các thuốc thử Vì vậy thông thường người ta tìm ra một giá trị pH thích hợp để tiến hành phản ứng tạo phức

X + HR XR + H+Nếu HR là một axit mạnh thì nồng độ của ion H+ trong dung dịchkhông ảnh hưởng đến sự phân ly của HR

Nếu HR là một axit yếu thì nồng độ ion H+

trong dung dịch sẽ ảnh hưởng đến sự phân ly của axit HR, do đó sẽ ảnh hưởng đến sự tạo phức XR

c Ảnh hưởng của ánh sáng không đơn sắc

Định luật Lămbe - Bia chỉ đúng cho tia đơn sắc Giả sử dòng sáng tới có cường độ I0 không phải là tia đơn sắc mà là một chùm tia, chẳng hạn có ba tia có cường độ là I01, I02, I03 Giả sử chất phân tích chỉ hấp thụ tia thứ 2, còn tia 1 và tia 3 không hấp thụ Khi đó

03 02 01

I I I

I I I

t 







Khi tăng nồng độ C của chất tan trong dung dịch lên thì It2 sẽ giảm còn I01 và

I03 vẫn không bị hấp thụ Nếu tiếp tụctăng nồng độ C tới mức để It2 = 0 thì lúc đó:

03 02 01

I I

I I I







= const Lúc này A = f(C) không tăng tuyến tính nữa

d Ảnh hưởng của các ion lạ

Giả sử trong dung dịch phân tích, ngoài chất X cần xác định còn có các ion

lạ khác M1, M2, Mn trong dung dịch cũng có khả năng tạo phức với thuốc thử R tạo thành các hợp chất màu gây nhiễu cho quá trình đo Trongđiều kiện này ta có thể loại trừ ảnh hưởng của các ion đó bằng các cách sau:

- Chọn thuốc thử R mà R chỉ tác dụng với X tạo thành phức màu và R không tác dụng với các ion lạ hoặc tác dụng nhưng tạo thành phức không màu Khi đó ta nói thuốc thử R có tính chọn lọc cao với X

22

- Nếu R ngoài tác dụng với X còn tác dụng được cả với các ion lạ thì R chỉ

dùng được trong các trường hợp sau:

+ βXR>>βMR (M là ion lạ) Khi đó chỉ cần nghiên cứu tìm được lượng thuốc

thử cần dùng thích hợp để chỉ đủ tạo phức với X sau đó không còn để tạo phức

3 Thay đổi hoá trị của ion lạ: Phương pháp này đơn giản nhưng chỉ áp dụng

được cho một số trường hợp, ví dụ: Xác định Molipden bằng SCN-mà có lẫn

Fe3+ ta loại trừ bằng cách khử nó về Fe2+

2.1.6 Các phương pháp định lượng

a Phương pháp đường chuẩn

Khi phân tích hàng loạt mẫu, dùng phương pháp đường chuẩn sẽ cho phép

phân tích và tính toán kết quả khá nhanh

Để thực hiện phương pháp này đầu tiên phải tiến hành pha chế thành một

dãy dung dịch chuẩn có nồng độ tăng dần, còn lượng thuốc thử, độ axít và các

điều kiện phân tích khác là như nhau Đo mật độ quang của dãy dung dịch chuẩn

và lập phương trình tương quan giữa mật độ quang (Abs) và nồng độ C Đồ thị

Abs = f(C) được gọi là đường chuẩn Để định lượng chất X có trong mẫu phân

tích ta tiến hành pha chế các dung dịch phân tích trong các điều kiện giống như

xây dựng đường chuẩn rồi đo mật độ quang của chúng với điều kiện đo như khi

đo với dãy dung dịch chuẩn được các giá trị Abs(X) Dùng đồ thị ta sẽ tính được

các giá trị C(X)

Ví dụ:Kết quả đo độ hấp thụ quang (Abs) của dung dịch chuẩn NO2

ở các mức nồng độ khác nhau được cho ở bảng 2.1

Bảng 2.1 Kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch chuẩn NO 2

Abs 0,000 0,304 0,410 0,484 0,764 1,080 1,517 2,055

b Phương pháp thêm

Cách tiến hành phân tích bằng phương pháp này như sau: Lấy cùng một lượng dung dịch cần phân tích (Cx) vào hai bình định mức 1 và 2 Thêm vào một trong hai bình một lượng dung dịch chuẩn của chất phân tích có nồng độ Ca Thực hiện phản ứng hiện màu ở cả hai bình định mức 1và 2 trong các điều kiện tối ưu đã chọn hoàn toàn như nhau sau đó định mức tới vạch mức của bình định mức Đem đo mật độ quang của hai dung dịch ở bước sóng thích hợp bằng cùng một loại cuvet Theo định luật Lămbe-Bia ta có:

- Với dung dịch không thêm chất chuẩn:

x

D D

Ca D



.

y = 0,5138x + 0,0046 R² = 0,9982

24

2.1.7 Phạm vi áp dụng của phương pháp so màu quang điện

Phương pháp này có thể phân tích được nhiều loại chất hòa tan khác nhau như các cation (Fe3+

, Mn7+,…), các anion (NO3-, NO22-, PO43-, ) đến các chất khí như SO2, NO2, HCHO, ở trong các thành phần môi trường khác nhau như đất, nước, không khí, thực vật, Do đó phương pháp so màu quang điện được

sử dụng rộng rãi trong tất cả các phòng thí nghiệm, thời gian đo nhanh, có thể phân tích được hàng loạt mẫu, chi phí đầu tư thấp với nhiều sự lựa chọn cho các loại máy khác nhau Tuy nhiên phương pháp so màu quang điện được sử dụng

để phân tích lượng nhỏ chất Với những mẫu có lượng vết chất cần phân tích cần thiết phải sử dụng các phương pháp khác có giới hạn phát hiện tốt hơn tuy nhiên chi phí phân tích tốn kém hơn, quy trình xử lý mẫu cũng phức tạp hơn

2.2 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)

2.2.1 Cơ sở lý thuyết

Ta biết vật chất được cấu tạo từ các nguyên tử và các nguyên tử là phần tử nhỏ nhất còn giữ được tính chất của nguyên tố Trong điều kiện bình thường nguyên tử không thu hay phát ra năng lượng dưới dạng tia bức xạ, lúc này nguyên tử ở trạng thái cơ bản Đó là trạng thái bền vững và có mức năng lượng thấp nhất của nguyên tử Khi nguyên tử ở trạng thái hơi, nếu chiếu một chùm tia

có những bước sóng xác định vào đám hơi nguyên tử của nguyên tố đó thì các nguyên tử tự do sẽ hấp thụ các bức xạ có bước sóng nhất định, ứng với những tia bức xạ mà nó có thể phát ra được trong quá trình phát xạ Lúc đó nguyên tử đã nhận năng lượng dưới dạng các tia bức xạ và nó chuyển lên trạng thái kích thích,

có năng lượng cao hơn trạng thái cơ bản Đó là tính chất đặc trưng của nguyên

tử ở trạng thái hơi Quá trình đó gọi là quá trình hấp thụ năng lượng của nguyên

tử Phổ sinh ra trong quá trình này gọi là phổ hấp thụ nguyên tử.Nghiên cứu sự phụ thuộc của cường độ một vạch phổ hấp thụ của một nguyên tố và nồng độ C trong mẫu phân tích, lý thuyết và thực nghiệm cho thấy rằng: trong một vùng nồng độ nhỏ C mối quan hệ giữa cường độ vạch phổ hấp thụ và nồng độ của nguyên tố cũng tuân theo định luật Bugơ–Lămbe–Bia

D = 0,43.K.C.l Trong đó:

D: Mật độ quang của ngọn lửa (D=lg

2.2.2 Nguyên tắc của đo quang phổ hấp thụ nguyên tử

Cơ sở lý thuyết của phép đo AAS là sự hấp thụ năng lượng (bức xạ đơn sắc) của nguyên tử tự do ở trạng thái hơi (khí) khi chiếu chùm tia bức xạ qua đám hơi nguyên tử trong môi trường hấp thụ Vì vậy muốn thực hiện được phép

đo AAS cần phải có các quá trình nguyên tử hóa mẫu, quá trình phát tia bức xạ đơn sắc và quá trình ghi đo

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên tắc của máy AAS

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên tắc của máy AAS

2.2.2.1 Quá trình nguyên tử hoá mẫu

Mục đích của quá trình này là tạo ra được đám hơi nguyên tử tự do từ mẫu phân tích với hiệu suất cao và ổn định Ta có thể nguyên tử hoá mẫu bằng ngọn lửa hoặc bằng kĩ thuật không ngọn lửa

a Nguyên tử hoá mẫu bằng ngọn lửa đèn khí

Ngọn lửa đèn khí có nhiệm vụ hoá hơi và nguyên tử hoá mẫu phân tích tạo ra đám hơi nguyên tử tự do Ngọn lửa đèn khí phải thoả mãn các yêu cầu sau:

- Ngọn lửa phải thuần khiết, không sinh ra các vạch phổ phụ hay phổ nền quá lớn gây cản trở cho phép đo Quá trình ion hoá hay phát xạ phải không đáng

27

Song song với quá trình nguyên tử hoá còn xảy ra quá trình phụ là sự ion hoá nguyên tố phân tích (đặc biệt là các nguyên tử của các nguyên tố có thế ion hoá thấp như các kim loại kiềm và kiềm thổ) Quá trình ion hoá sẽ làm giảm số nguyên tử tự do trong ngọn lửa nên làm giảm cường độ vạch phổ hấp thụ, cần hạn chế quá trình này bằng cách giữ nhiệt độ ngọn lửa ổn định hoặc thêm vào một nguyên tố có thế ion hoá thấp hơn thế ion hoá của nguyên tố phân tích Một quá trình phụ nữa cũng thường xảy ra dưới tác dụng của ngọn lửa là sự kích thích phổ phát xạ của nguyên tử tự do Do vậy để thu được kết quả chính xác phải nghiên cứu và chọn các điều kiện tối ưu cho quá trình nguyên tử hoá mẫu sao cho phù hợp với từng nguyên tố phân tích trong mỗi loại mẫu cụ thể, đó là:

- Thành phần và tốc độ của hỗn hợp khí đốt tạo ra ngọn lửa;

- Tốc độ dẫn dung dịch mẫu (thường vào khoảng 3-5 ml/m);

- Chiều cao của đèn nguyên tử hoá mẫu;

- Bề dày của môi trường hấp thụ;

- Độ nhớt của dung dịch mẫu, dung dịch phân tích và dung dịch để lập đường chuẩn phải được chuẩn bị trong cùng một điều kiện để có cùng thành phần hoá học, vật lý đặc biệt là thành phần nền của mẫu, độ axit, loại axit dùng làm môi trường

b Nguyên tử hoá không ngọn lửa

Kỹ thuật nguyên tử hoá không ngọn lửa là quá trình nguyên tử hoá tức khắc trong thời gian rất ngắn nhờ năng lượng của dòng điện công suất lớn và trong môi trường khí trơ Quá trình nguyên tử hoá này xảy ra theo các giai đoạn khác nhau: sấy khô, tro hoá rồi nguyên tử hoá mẫu cuối cùng là làm sạch cuvet

Kỹ thuật nguyên tử hoá không ngọn lửa cho phép nâng cao độ nhạy của phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử lên rất nhiều, gấp hàng trăm, hàng nghìn lần so với nguyên tử hoá bằng ngọn lửa Song nhược điểm là độ lặp lại của phép đo kém, ảnh hưởng của phổ nền rất lớn Phép đo không ngọn lửa chỉ cần một lượng nhỏ mẫu (chỉ cần 20-50 l) Mẫu được lấy vào thuyền titan hay cuvet graphit, nguồn năng lượng dùng là dòng điện có hiệu điện thế thấp nhưng

có cường độ cao (50-500A) hay năng lượng của dòng cao tần cảm ứng Dưới tác dụng của dòng năng lượng này cuvet sẽ được nung đỏ tức khắc và mẫu sẽ được nguyên tử hoá

28

2.2.2.2 Nguồn phát tia bức xạ đơn sắc

Muốn thực hiện được phép đo AAS phải có nguồn phát tia bức xạ đơn sắc của nguyên tố cần phân tích để chiếu qua đám hơi nguyên tử tự do (môi trường hấp thụ) Nguồn phát tia bức xạ đơn sắc phải thoả mãn các yêu cầu sau:

- Nguồn phát tia bức xạ đơn sắc tạo ra phải là các tia phát xạ nhạy của nguyên tố phân tích Chùm tia phát xạ phải có cường độ I0 ổn định, lặp lại được trong nhiều lần đo khác nhau trong cùng một điều kiện và phải điều chỉnh được

để có cường độ cần thiết cho mỗi phép đo

- Nguồn phát tia bức xạ đơn sắc tạo ra được chùm tia thuần khiết, chỉ bao gồm một số vạch nhạy của nguyên tố phân tích Phổ nền phải không đáng kể

- Nguồn phát tia bức xạ phải tạo ra được chùm tia sáng có cường độ cao, nhưng phải bền theo thời gian và không bị các yếu tố vật lý khác gây nhiễu, không bị ảnh hưởng bởi các dao động của các điều kiện làm việc Ngoài ra không quá đắt và không quá phức tạp khi sử dụng

Hiện nay trong phép đo phổ hấp thụ nguyên tử, người ta dùng chủ yếu ba loại nguồn phát tia bức xạ đơn sắc sau:

+ Đèn catot rỗng (HCL- Hollow cathode lamp);

+ Đèn phóng điện không điện cực (EDL);

+ Đèn phát phổ liên tục có biến điệu

Trong ba loại đèn trên thì đèn HCL được dùng nhiều nhất Khi phân tích một số nguyên tố đặc biệt là các nguyên tố phi kim thì đèn EDL lại cho độ nhạy cao hơn đèn HCL Đèn phát phổ biến điệu mới được dùng trong các năm gần đây nhưng lại có nhiều ưu việt trong các máy nhiều kênh và quá trình phân tích

tự động liên tiếp nhiều nguyên tố

2.2.2.3 Quá trình ghi đo

Gồm một hệ thống phân ly ánh sáng sau khi bị hấp thụ, detector, bộ khuyếch đại và ghi đo

Nhờ một hệ thống máy quang phổ người ta thu, phân ly và chọn một vạch phổ hấp thụ của nguyên tố cần nghiên cứu để đo cường độ của nó Cường độ đó chính là tín hiệu hấp thụ của vạch phổ Trong một giới hạn nhất định của nồng

độ giá trị cường độ này phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ C của nguyên tố cần phân tích trong mẫu Cường độ của vạch phổ hấp thụ sau khi được detector ghi nhận và khuếch đại tiếp tục được xử lý để có cường độ thực của vạch phổ hấp thụ và được ghi lại dưới dạng pic hiển thị trên màn hình digital Cường độ vạch

2.2.3.2 Phương pháp thêm

Nguyên tắc của phương pháp này là dùng ngay mẫu phân tích làm nền để chuẩn bị mẫu đầu bằng cách lấy lần lượt cùng một lượng mẫu phân tích nhất định có nồng độ Cx rồi thêm vào đó những lượng chính xác nguyên tố cần xác định theo từng bậc nồng độ, chẳng hạn C1, C2, C3, tăng theo cấp số cộng, ta được dãy mẫu đầu có nồng độ:Cx; Cx + C1; Cx + C2; Cx + C3; chọn các điều kiện thích hợp để ghi cường độ vạch phổ của các mẫu dung dịch đó ta được các giá trị tương ứng là A0, A1, A2, A3, Dựng đường chuẩn với trục tung chỉ các giá trị A, trục hoành ghi các giá trị của nồng độ, đường chuẩn này cắt trục tung tại một điểm (O; A0) sau đó kéo dài đường chuẩn sẽ cắt trục hoành tại điểm, hoành

độ của điểm đó chính là nồng độ của mẫu phân tích

Phương pháp này có ưu điểm là quá trình chuẩn bị mẫu rất dễ dàng, không cần phải dùng những hoá chất tinh khiết cao để chuẩn bị dãy mẫu nhân tạo, loại trừ hoàn toàn ảnh hưởng về thành phần cũng như tính chất vật lý của

các chất tạo thành mẫu (matrix effect)

Hình 2.5 Đồ thị phương pháp thêm chuẩn

2.2.4 Những ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng của phép đo AAS

2.2.4.1 Các ưu điểm

- Phép đo AAS có độ nhạy và độ chọn lọc cao Gần 60 nguyên tố hoá học

có thể xác định được bằng phương pháp này với độ nhạy 10-4đến 10-5%, nếu dùng kĩ thuật không ngọn lửa có thể đạt tới n.10-7% Do đó phương pháp này trong nhiều trường hợp không phải làm giàu mẫu, tốn ít thời gian, tiết kiệm được hoá chất, giảm thiểu được sự nhiễm bẩn qua các giai đoạn xử lý mẫu;

- Kết quả phân tích ổn định, sai số nhỏ (không quá 15% với vùng nồng độ

2.2.4.3 Đối tượng và phạm vi áp dụng

Đối tượng chính được dùng để xác định lượng vết các kim loại đặc biệt là các kim loại nặng trong các mẫu môi trường, y học, sinh học, nông nghiệp, và một số nguyên tố phi kim như As, Pb, Se, Te các nguyên tố phi kim khác như

CX C0 C1 C2 C3 C4 C

31

C, Cl, N, O, S chưa xác định được bằng phương pháp này vì các vạch phổ của

nó nằm ngoài vùng phổ của các máy AAS thông dụng (190nm - 900nm)

2.2.5 Quy trình chuẩn bị mẫu cho phân tích quang phổ hấp thụ nguyên tử

Mục đích của quá trình chuẩn bị mẫu nhằm để làm sạch mẫu, loại bỏ các vật chất gây nhiễu và phân hủy các vật chất hữu cơ bằng các phương pháp tro hóa thích hợp tùy thuộc vào từng loại mẫu

Quy trình chuẩn bị mẫu cho phân tích bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử được mô tả theo sơ đồ hình 2.6

Mẫu phân tích sau khi lấy về phòng thí nghiệm được làm sạch sơ bộ để loại bỏ các tạp chất thô không có trong thành phần của mẫu sau đó được đồng nhất Đối với các loại mẫu rắn như mẫu chất thải rắn, mẫu đất, mẫu thực vật, thực phẩm (rau quả, tôm, cá, ) được băm bỏ, trộn đều rồi rút một phần để nghiền mịn đến đồng nhất thành phần Mẫu này sau đó được sử dụng để tro hóa bằng phương pháp thích hợp

Hình 2.6 Sơ đồ quy trình chuẩn bị mẫu cho phân tích AAS

Phân tích trên AAS Tách chiết, làm giàu, pha loãng mẫu

Tro hóa mẫu Đồng nhất mẫu Làm sạch sơ bộ Mẫu phân tích

32

2.2.5.1 Phương pháp tro hóa khô

Phương pháp này được thực hiện bằng cách phân hủy mẫu ở nhiệt độ từ

4000C đến 5000C trong lò nung bằng điện Quá trình này diễn ra theo các giai đoạn sấy khô mẫu, oxi hóa và tro hóa mẫu Thời gian thực hiện quá trình tro hóa này mất khoảng vài giờ.Thành phần mẫu còn sót lại là các kim loại nặng không

bị bay hơi và một số tạp chất khác, chúng được hòa tan trong dung môi (axit) sau đó được tách chiết, pha loãng trước khi phân tích trên thiết bị Phương pháp tro hóa khô có một số ưu điểm như có thể tiến hành tro hóa với lượng mẫu lớn, nhiều mẫu cùng một lúc, giảm thiểu được sự nhiễm bẩn từ hóa chất thuốc thử và quá trình hoạt động đơn giản Bên cạnh những ưu điểm, phương pháp này cũng tồn tại một số nhược điểm như có thể làm hình thành một số hợp chất không tan trong axit ở nhiệt độ trên 5000C, làm mất một số nguyên tố có điểm nóng chảy thấp do quá trình bay hơi

2.2.5.2 Phương pháp tro hóa ướt

Phương pháp tro hóa ướt được tiến hành bằng cách đốt nóng mẫu cùng với axit ở nhiệt độ thấp dưới 3000C trong bình Kjeldahl đến khi các chất hữu cơ bị oxi hóa hoàn toàn, mẫu trở lên không màu Tùy thuộc vào bản chất của nguyên tố cần phân tích, thành phần nền của mẫu mà lựa chọn axit phù hợp để tro hóa Các axit thường sử dụng là HCl, HNO3, HClO4, H2SO4 và HF Phương pháp tro hóa ướt có một số ưu điểm như giảm thiểu được tối đa sự mất mát chất phân tích do quá trình bay hơi, quá trình tro hóa diễn ra ở nhiệt độ không quá cao Tuy nhiên bên cạnh

đó cũng tồn tại một số nhược điểm như các chất hữu cơ cần một thời gian khá dài

từ vài giờ thậm chí cả ngày để phân hủy hết, mẫu có thể bị nhiễm khá cao từ hóa chất, thuốc thử (axit) sử dụng trong quá trình tro hóa

Hình 2.7 Thiết bị tro hóa ướt bằng bình Kjeldahl

Mẫu và axit

Bổ sung axit

33

Ngoài hai phương pháp tro hóa truyền thống nêu trên, hiện nay người ta còn sử dụng một số phương pháp hiện đại khác để tro hóa như phương pháp phân hủy ở áp suất cao, phương pháp tro hóa bằng vi sóng và phương pháp kiềm chảy Các phương pháp này nhìn chung có hiệu quả cao hơn, an toàn hơn nhưng đòi hỏi phải được trang bị thiết bị hiện đại

2.3 Phương pháp sắc ký

2.3.1 Lược sử phát triển của phương pháp sắc ký

Năm 1906 nhà bác học người Nga tên là Michael Tvest đã cho dung dịch

sắc tố thực vật trong ete dầu hỏa lên cột nhồi bột mịn CaCO3, ông thấy các sắc tố

bị hấp phụ lên trên đầu cột Khi cho ete dầu hỏa lên cột, các sắc tố di chuyển trên cột từ trên xuống dưới, mỗi sắc tố có một tốc độ riêng, tách thành những vùng hay vòng màu xếp chồng lên nhau, hình thành một hệ mà Tvest gọi là sắc đồ Ông đặt tên cho phương pháp này là phương pháp tách sắc ký (Chromatography) Trong

tiếng Hylạp chroma là màu còn graphein là viết Tên gọi này ngày nay vẫn được

sử dụng mặc dù phương pháp này còn được dùng tách các chất không màu

2.3.2 Khái niệm và phân loại các phương pháp sắc ký

2.3.2.1 Khái niệm sắc ký

Sắc ký là một nhóm các phương pháp hoá lý dùng để tách các thành phần của một hỗn hợp Sự tách sắc ký dựa vào sự phân chia khác nhau của các chất khác nhau vào hai pha luôn tiếp xúc với nhau và không hoà lẫn với nhau Một pha là pha tĩnh, một pha là pha động

Bản chất của phương pháp sắc ký chính là sự tách chất Các chất được tách ra khỏi nhau dựa vào sự tương tác giữa pha động và pha tĩnh Trong đó pha động mang mẫu đi dọc hệ thống sắc ký (là cột hoặc bản phẳng) có chứa pha tĩnh đều khắp Các cấu tử trong mẫu khi đó sẽ chịu sự tương tác (phân bố) lặp lại giữa pha động và pha tĩnh dẫn đến kết quả chúng bị tách dần thành những dải trong pha động và vào lúc cuối của quá trình sắc ký các cấu tử sẽ bị tách biệt hẳn

ra theo trật tự tăng dần tương tác với pha tĩnh Cấu tử nào tương tác yếu với pha tĩnh sẽ theo pha động ra khỏi pha tĩnh trước, cấu tử nào tương tác mạnh với pha tĩnh sẽ ra sau Các cấu tử khi ra khỏi pha tĩnh sẽ được ghi lại dưới dạng các đỉnh (pic) tách riêng rẽ và được in trên giấy gọi là sắc ký đồ ngoại

Như vậy, quá trình tách sắc ký gồm ba giai đoạn chính:

- Giai đoạn đưa mẫu lên pha tĩnh;