Nghiên cứu xác định thủy ngân vô cơ và hữu cơ trong trầm tích lưu vực sông nhuệ và sông đáy

ĐẶT VẤN ĐỀ Thuỷ ngân Hg là nguyên tố hóa học được phát hiện từ rất sớm và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, nhiều nghành công nghiệp như khai thác vàng, kĩ thuật điện tử, sản xuất xút

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC

KHOA HỌC TỰ NHIÊN

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN HOÁ HỌC

Trịnh Văn Hoan NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH THỦY NGÂN VÔ CƠ VÀ HỮU CƠ TRONG TRẦM TÍCH LƯU VỰC SÔNG NHUỆ VÀ SÔNG ĐÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - năm 2011

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH THỦY NGÂN VÔ CƠ VÀ HỮU

CƠ TRONG TRẦM TÍCH LƯU VỰC SÔNG NHUỆ

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG LUẬN VĂN 1

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ TRONG LUẬN VĂN 2

ĐẶT VẤN ĐỀ 4

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 6

1.1 Giới thiệu về nguyên tố thuỷ ngân 6

1.1.1 Tính chất vật lý 6

1.1.2 Tính chất hóa học 7

1.1.3 Trạng thái tự nhiên 8

1.1.4 Ứng dụng 9

1.1.5 Độc tính của thuỷ ngân 10

1.1.6 Quá trình tích lũy sinh học của thuỷ ngân 11

1.2 Các phương pháp phân tích thuỷ ngân trong trầm tích 13

1.2.1 Các phương pháp phân tích tổng thuỷ ngân và thuỷ ngân vô cơ 13

1.2.1.1 Phương pháp vi khối lượng 14

1.2.1.2 Phương pháp đo quang 14

1.2.1.3 Phương pháp đo phổ hấp thụ nguyên tử 15

1.2.1.4 Phương pháp phổ huỳnh quang nguyên tử 16

1.2.1.5 Phương pháp phổ phát xạ nguyên tử 17

1.2.1.6 Phương pháp phân tích huỳnh quang tia X và kích hoạt nơtron 18

1.2.1.7 Phương pháp phổ khối lượng 18

1.2.1.8 Phương pháp phân tích điện hoá 19

1.2.2 Các phương pháp phân tích định dạng thuỷ ngân 19

1.2.2.1 Phương pháp khử chọn lọc 20

1.2.2.2 Phương pháp chiết 21

1.2.2.3 Phương pháp điện di mao quản 22

1.2.2.4 Phương pháp sắc ký khí 23

1.2.2.5 Phương pháp sắc ký lỏng 24

1.3 Các phương pháp phân tích dạng thuỷ ngân trong luận văn 25

1.3.1 Phân tích hàm lượng tổng thuỷ ngân 25

1.3.2 Phân tích thủy ngân hữu cơ 25

1.3.3 Phân tích các da ̣ng thủy ngân vô cơ 26

1.3.4 Ứng dụng của phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử trong phân tích thủy ngân 28

1.3.4.1 Nguyên tắc của phép đo 28

1.3.4 2 Trang bị của phép đo 30

1.3.4.3 Nguyên lý của kỹ thuật hoá hơi lạnh 31

1.3.4.4 Một số phương pháp xử lý mẫu trước khi phân tích 32

CHƯƠNG II THỰC NGHIỆM 36

2.1 Đối tượng nghiên cứu 36

2.2 Nội dung nghiên cứu 36

2.2.1 Nghiên cứu các điều kiện đo phổ hấp thụ nguyên tử của thuỷ ngân 36

2.2.2 Xây dựng quy trình phân tích cho các đối tượng mẫu nghiên cứu 36

2.3 Lấy mẫu và bảo quản mẫu 36

2.4 Trang thiết bị và hóa chất phục vụ nghiên cứu 37

2.4.1 Trang thiết bị 37

2.4.2 Hóa chất 37

2.4.3 Chuẩn bị hoá chất và dung dịch chuẩn 38

Chương III KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN 39

3.1 Các điều kiện đo phổ hấp thụ nguyên tử của thuỷ ngân 39

3.2 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất khử 40

3.3 Khảo sát ảnh hưởng của thành phần và nồng độ axit đến quá trình xử lý mẫu 42 3.4 Khảo sát ảnh hưởng của chiều dài bình phản ứng đến hiệu suất quá trình xử lý mẫu 44

3.5 Sử dụng thiết bị hoá hơi lạnh đã được cải tiến để tăng độ nhạy cho phép xác định thuỷ ngân 45

3.6 Xây dựng đường chuẩn xác định thuỷ ngân 48

3.7 Giới hạn phát hiện của phương pháp 49

3.8 Quy trình phân tích thuỷ ngân 50

3.8.1 Quy trình phân tích thuỷ ngân tổng số 50

3.8.2 Phân tích dạng thuỷ ngân hữu cơ và vô cơ 51

3.8.2.1 Khảo sát quy trình tách chiết để xác định tổng thuỷ ngân hữu cơ 51

3.8.2.2 Khảo sát thể tích clorofom (CHCl3) dùng để chiết thuỷ ngân hữu cơ trong trầm tích 52

3.8.2.3 Khảo sát quá trình giải chiết thuỷ ngân hữu cơ bằng natrithiosunfat 53

3.8.3 Phân tích các dạng thủy ngân vô cơ (HgO, HgS và các dạng khác) 54

3.8.3.1 Quy trình phân tích HgO 55

3.8.3.2 Khảo sát quy trình phân tích HgS và các dạng khác 56

3.9 Đánh giá phương pháp 59

3.9.1 Phân tích thuỷ ngân tổng số: 59

3.9.2 Phân tích thuỷ ngân hữu cơ 60

3.10 Dạng thuỷ ngân trong trầm tích 60

KẾT LUẬN 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

PHỤ LỤC 79

DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG LUẬN VĂN

Bảng 1.1: Một số hằng số vật lý của thuỷ ngân

Bảng 1.2: Đặc tính lý hoá của một số hợp chất thuỷ ngân

Bảng 3.1: Các điều kiện đo phổ hấp thụ nguyên tử của thuỷ ngân

Bảng 3.2: Ảnh hưởng của nồng độ chất khử

Bảng 3.3: Ảnh hưởng của axit và nồng độ axit đến quá trình vô cơ hoá mẫu

Bảng 3.4: Ảnh hưởng của chiều dài bình phản ứng

Bảng 3.5 : sự phụ thuộc của độ hấp thụ vào nồng độ Hg2+

Bảng 3.6: Kết quả phân tích mẫu chuẩn thuỷ ngân nồng độ 0,1 µg/l

Bảng 3.7: Kết quả chiết thủy ngân hữu cơ theo thể tích clorofom

Bảng 3.8: Kết quả giải chiết Hg hữu cơ bằng Na2S2O3

Bảng 3.9: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nồng độ H2SO4 đến hiệu suất chiết HgO

Bảng 3.10: Ảnh hưởng của CuCl đối với hiệu suất chiết HgS

Bảng 3.11: Ảnh hưởng của nồng độ NaCl đối với hiê ̣u suất chiết HgS

Bảng 3.12: Kết quả phân tích mẫu chuẩn MESS-3, CMR 580

Bảng 3.13: Kết quả phân tích thuỷ ngân hữu cơ mẫu chuẩn CMR 580

Bảng 3.14: Bảng miêu tả vị trí lấy mẫu

Bảng 3.15: Kết quả phân các dạng thuỷ ngân trong trầm tích

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ TRONG LUẬN VĂN

Hình 1.1 Hình ảnh về nguyên tố thủy ngân ở nhiệt độ thường

Hình 1.2: Chu trình của thủy ngân trong môi trường

Hình 1.3 Quy trình phân tích thủy ngân tổng số

Hình 1.4 Quy trình phân tích thủy ngân hữu cơ theo Sakamoto

Hình 1.5 Quy trình phân tích HgO theo sakamoto

Hình 1.6 Quy trình phân tích HgS và các dạng khác theo Sakamoto

Hình 1.7: Sơ đồ nguyên tắc của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử

Hình 3.1: Ảnh hưởng của nồng độ chất khử

Hình 3.2: Ảnh hưởng của chiều dài bình phản ứng

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của kỹ thuật hoá hơi lạnh MHS – 10

Hình 3.4: Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của hệ hoá hơi lạnh cải tiến

Hình 3.5: Phổ hấp thụ của thuỷ ngân trước và sau khi cải tiến thiết bị

Hình 3.6: Phổ hấp thụ của thuỷ ngân nồng độ 2 µg/l

Hình 3.7: Phổ hấp thụ của thuỷ ngân nồng độ từ 0,1 đến 2,0 µg/l

Hình 3.8: Đường chuẩn xác định thuỷ ngân

Hình 3.9: Quy trình xác định tổng thuỷ ngân trong trầm tích

Hình 3.10: Ảnh hưởng của thể tích clorofom đến độ thu hồi của thuỷ ngân hữu cơ Hình 3.11: Hiệu suất giải chiết CH3HgCl bằng natrithiosunfat

Hình 3.12: Quy trình xác định hàm lượng thuỷ ngân hữu cơ

Hình 3.13: Quy trình xác định hàm lượng HgO trong trầm tích

Hình 3.14: Sự ảnh hưởng của CuCl đối với hiê ̣u suất chiết HgS

Hình 3.15: Sự ảnh hưởng của NaCl đối với hiê ̣u suất chiết HgS

Hình 3.16: Quy trình xác định hàm lượng HgS và các dạng thủy ngân khác

Hình 3 17: Bản đồ vị trí lấy mẫu trên sông Nhuệ, và sông Đáy

Hình 3.18: Sự phân bố các dạng thuỷ ngân trong trầm tích ta ̣i các điểm

Hình 3.19: Hàm lượng tổng thuỷ ngân tại các điểm trên lưu vực sôngNhuệ Hình 3.20: Hàm lượng tổng thuỷ ngân tại các điểm trên lưu vực sông Đáy Hình 3.21: Hàm lượng HgS trong trầm tích

Hình 3.22: Tỉ lệ HgS so với tổng hàm lượng thủy ngân

Hình 3.23: Hàm lượng HgO trong trầm tích sông Nhuệ và sông Đáy Hình 3.24: Hàm lượng thủy ngân hữu cơ tại các điểm trên sông Nhuệ Hình 3.25: Hàm lượng tổng thủy ngân hữu cơ tại các điểm trê n sông Đáy Hình 3.26: Tỉ lệ thủy ngân hữu cơ so với tổng hàm lượng thủy ngân

ĐẶT VẤN ĐỀ

Thuỷ ngân (Hg) là nguyên tố hóa học được phát hiện từ rất sớm và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, nhiều nghành công nghiệp như khai thác vàng, kĩ thuật điện tử, sản xuất xút bằng phương pháp điện phân với điện cực thủy ngân, sản xuất giấy, sản xuất nhiệt kế …Tuy nhiên thủy ngân và các hợp chất của nó có độc tính cao với con người và môi trường nên những năm gần đây viê ̣c sử du ̣ng thủ y ngân đã đươ ̣c ha ̣n chế

Trên thế giới đã có nhiều trường hợp nhiễm độc thuỷ ngân xảy ra ở quy mô lớn [3, 9, 17, 20, 47]

Đã có 2955 người nhiễm đô ̣c thủy ngân trong đó 45 người chết vì ăn phải cá nhiễm thủy ngân tại vịnh Minamata trong thảm họa xảy ra vào năm 1953 – 1960 tại thành phố Minamata tỉnh Kumamoto Nhật Bản Những khuyết tật về gen đã được quan sát thấy ở trẻ em sơ sinh mà mẹ của chúng ăn hải sản được khai thác từ vịnh Minamata Trong cá của vịnh người ta phát hiện thấy có chứa từ 27-102 ppm thuỷ ngân dưới dạng metyl thuỷ ngân, nguồn thuỷ ngân này được thải ra từ nhà máy hoá chất Chisso của thành phố Tiếp đó năm 1972 tại Irac đã có 459 nông dân bị chết sau khi ăn phải lúa mạch nhiễm độc thuỷ ngân do thuốc trừ sâu Bệnh Minamata và những bệnh tương tự do bị nhiễm độc thuỷ ngân, cũng xảy ra ở Trung Quốc, Canada, lưu vực sông MeKong hay ở sông, hồ vùng Amazon và Tanzania,…

Tại Việt Nam, nguồn thủy ngân thải vào môi trường từ các nhà máy nhiê ̣t điê ̣n , các khu công nghiê ̣p và các hoa ̣t đô ̣ng khai thác vàng trái phép đã và đang gây ra tình trạng ô nhiễm thủy ngân trong môi trường , đă ̣c biê ̣t là môi trường nước Thực tế đã ghi nhâ ̣n nhiều trườ ng hợp nhiễm đ ộc thủy ngân , chủ yếu xảy ra tại các vùng khai thác vàng sử du ̣ng công nghê ̣ ta ̣o hỗn hống với thủy ngân

Độc tính của thuỷ ngân phụ thuộc rất nhiều vào dạng hoá học của nó Nhìn chung, thuỷ ngân ở dạng hợp chất hữu hữu cơ độc hơn thuỷ ngân vô cơ Thuỷ ngân nguyên tố và thuỷ ngân sunfua là dạng ít độc nhất Dạng độc nhất của thuỷ ngân là metyl thuỷ ngân, dạng này được tích luỹ trong tế bào cá và động vật

Quá trình nhận dạng và xác định hàm lượng những dạng hoá học khác nhau của thuỷ ngân tạo nên tổng hàm lượng của thuỷ ngân trong một mẫu phân tích có ý nghĩa rất quan trọng trong nghiên cứu đô ̣c tố học, sinh thái ho ̣c cũng như trong công nghiê ̣p

Vì những lý do trên, chúng tôi đă ̣t ra mu ̣c tiêu của luâ ̣n văn là:

- Nghiên cứu, khảo sát và thiết lập các điều kiện tối ưu để xây dựng phương pháp định lượng thuỷ ngân tổng số, thuỷ ngân hữu cơ, thuỷ ngân vô cơ, thuỷ ngân (II) oxit và thủy ngân (II) sunfua

- Áp dụng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử để định lượng thuỷ ngân tổng số, thuỷ ngân hữu cơ, thuỷ ngân vô cơ, thủy ngân (II) sunfua và thuỷ ngân (II) oxit trong trầm tích qua đó có thể đánh giá mức độ ô nhiễm thuỷ ngân trong môi trường

Luâ ̣n văn có nhiê ̣m vu ̣:

- Tìm hiểu các phương pháp phân tích hàm lượng tổng thuỷ ngân và dạng thuỷ ngân hiện đang áp dụng trên thế giới

- Nghiên cứu các điều kiện tối ưu trong quá trình xử lý mẫu, ghi đo phổ để nâng cao độ nhạy, độ chọn lọc và độ chính xác của phương pháp xác định các dạng thuỷ ngân vô cơ và hữu cơ trong trầm tích

- Áp dụng các quy trình tách, phân tích hàm lượng các dạng thủy ngân vô cơ, thủy ngân hữu cơ và thủy ngân tổng số trong trầm tích Nhận xét thực trạng ô nhiễm thủy ngân lưu vực sông Nhuệ và sông Đáy

Luận văn được thực hiện bằng phương pháp thực nghiệm Các nội dung chính của luận văn được thực hiện tại Viện Hoá học - Viện khoa học và Công nghệ Việt Nam

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về nguyên tố thuỷ ngân

1.1.1 Tính chất vật lý

Nguyên tố Thủy ngân (Hg) có nguyên tử khối là 200,59 u, thuộc ô 80, nhóm IIB, chu kì 6 trong bảng Tuần hoàn các nguyên tố hóa học[8]

Bảng 1.1: Một số hằng số vật lý của thuỷ ngân

Thuỷ ngân tinh khiết là chất lỏng ở nhiệt độ thường có màu trắng bạc, khi đổ ra tạo thành những giọt tròn lấp lánh, linh động nhưng trong không khí ẩm dần dần bị bao phủ bởi màng oxit nên mất ánh kim Thuỷ ngân không tinh khiết bị phủ một lớp váng và để lại những vạch trắng dài [8]

Năng lượng ion hoá (Ev)

I1

I2

I3

10,43 18,56 34,3

Hình 1.1 Hình ảnh về nguyên tố thủy ngân ở nhiệt độ thường

Thuỷ ngân bay hơi ngay ở nhiệt độ phòng, hơi thuỷ ngân gồm những phân tử đơn nguyên tử Áp suất hơi của thuỷ ngân phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ, ở 200C áp suất hơi bão hoà của thuỷ ngân là 1,3.103 mmHg Khi hoá rắn, thuỷ ngân trở nên dễ rèn như chì và là những tinh thể bát diện phát triển thành hình kim

Thuỷ ngân tan được trong các dung môi phân cực và không phân cực, dung dịch của thuỷ ngân trong nước (khi không có không khí) ở 250C chứa 6.10-8 g Hg/l Thủy ngân có tính dẫn nhiệt kém nhưng dẫn điện tốt

Thủy ngân tạo ra hợp kim với phần lớn các kim loại, bao gồm vàng, nhôm và bạc, đồng nhưng không tạo với sắt, mangan, coban và niken Do đó, người ta có

thể chứa thủy ngân trong thùng bằng sắt Hợp kim của thủy ngân được gọi là hỗn

hống Tùy thuộc vào tỉ lệ của kim loại tan trong thuỷ ngân, hỗn hống có thể ở dạng

lỏng hoặc rắn Sự ta ̣o thành hỗn hống có thể đơn giản là quá trình hòa tan kim loại vào thủy ngân lỏng và có thể là tương tác mãnh liệt giữa kim loại với thủy ngân [8]

1.1.2 Tính chất hóa học

Trong hơ ̣p chất thủy ngân có số ôxi hóa phổ biến của nó là +1 (Hg22+) và +2 và rất ít thển hiê ̣n số ôxi hóa +3 trong hợp chất Ở dạng đơn chất , thủy ngân khá trơ Thuỷ ngân không tác dụng với oxi ở nhiệt độ thường, nhưng tác dụng rõ rệt ở 3000C tạo thành HgO và ở 4000C oxit đó lại phân huỷ thành nguyên tố Thuỷ ngân phản ứng dễ dàng với nhóm halogen và lưu huỳnh Thuỷ ngân chỉ tan trong axit có tính

oxi hoá mạnh như: HNO3, H2SO4 đặc

Hg + 4HNO3 (đặc) → Hg(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O

6Hg + 8HNO3 (loãng) → 3Hg2(NO3)2 + 2NO + 4H2O

1.1.3 Trạng thái tự nhiên

Trong thiên nhiên tồn tại chủ yếu dưới dạng các khoáng vật: xinaba hay thần sa (HgS), timanic (HgSe), colodoit (HgTe), livingtonit (HgSb4O7), montroydrit (HgO), calomen (Hg2Cl2) Rất hiếm khi gặp thuỷ ngân dưới dạng tự do Thần sa là quặng duy nhất của thuỷ ngân, nhiều khi bắt gặp chúng tạo thành mỏ lớn Nhìn chung thần

sa khác với các sunfua khác là khá bền vững trong miền oxi hoá Các khoáng cộng sinh với thần sa thường có antimonit (Sb3S2), pirit (FeS2), asenopirit (FeAsS), hùng hoàn (As2S3) Các khoáng vật phi quặng đi kèm với thần sa thường có: thạch anh, canxit, nhiều khi có cả barit, florit

Trong môi trường, thuỷ ngân biến đổi qua nhiều dạng tồn tại hoá học Trong không khí, thuỷ ngân tồn tại ở dạng hơi nguyên tử, dạng metyl thuỷ ngân hoặc dạng liên kết với các hạt lơ lửng

Trong nước biển và đất liền, thuỷ ngân vô cơ bị metyl hoá thành các dạng metyl thuỷ ngân và được tích luỹ vào động vật Một phần thuỷ ngân này liên kết với lưu huỳnh tạo tạo thành kết tủa thuỷ ngân sunfua và giữ lại trong trầm tích Ngoài ra, một số loài thực vật còn có khẳ năng tích luỹ thuỷ ngân ở dạng ít độc tính hơn như những giọt thuỷ ngân hoặc thuỷ ngân sunfua Để có sự hiểu biết hơn về chu trình thuỷ ngân trong môi trường, chúng ta cần biết những dạng tồn tại của nó trong mỗi dạng sinh thái khác nhau

Trong nước tự nhiên, các hợp chất của thuỷ ngân dễ bị khử hoặc dễ bị bay hơi nên hàm lượng thuỷ ngân trong nước rất nhỏ Nồng độ của thuỷ ngân trong nước ngầm, nước mặt thường thấp hơn 0,5 µg/l Nó có thể tồn tại ở dạng kim loại, dạng ion vô cơ hoặc dạng hợp chất hữu cơ Trong môi trường nước giàu oxi, thuỷ ngân tồn tại chủ yếu dạng hoá trị II

1.1.4 Ứng dụng

Thủy ngân được sử dụng chủ yếu trong sản xuất các hóa chất, trong kỹ thuật điện và điện tử Nó cũng được sử dụng trong một số nhiệt kế Ngoài ra thủy ngân có những ứng dụng khác là [8, 9]:

- Máy đo huyết áp chứa thủy ngân (đã bị cấm ở một số nơi)

- Thimerosal, một hợp chất hữu cơ được sử dụng như là chất khử trùng trong vaccin và mực xăm

- Phong vũ kế thủy ngân, bơm khuyếch tán, tích điện kế thủy ngân và nhiều thiết

bị phòng thí nghiệm khác Là một chất lỏng với tỷ trọng rất cao, Hg được sử dụng

để làm kín các chi tiết chuyển động của máy khuấy dùng trong kỹ thuật hóa học

- Trong một số đèn điện tử

- Thủy ngân được sử dụng trong đèn hơi thủy ngân và một số đèn kiểu "đèn huỳnh quang" cho các mục đích quảng cáo Màu sắc của các loại đèn này phụ thuộc vào khí nạp vào bóng

- Thủy ngân được sử dụng tách vàng và bạc trong các quặng sa khoáng

- Thủy ngân vẫn còn được sử dụng trong một số nền văn hóa cho các mục đích y học dân tộc và nghi lễ Ngày xưa, để chữa bệnh tắc ruột, người ta cho bệnh nhân uống thủy ngân lỏng (100-200 g) Ở trạng thái kim loại không phân tán, thủy ngân không độc và có tỷ trọng lớn nên sẽ chảy trong hệ thống tiêu hóa và giúp thông ruột cho bệnh nhân

- Chuyển mạch điện bằng thủy ngân, điện phân với cathode thủy ngân để sản

xuất NaOH và Clo, các điện cực trong một số dạng thiết bị điện tử, pin và chất xúc tác, thuốc diệt cỏ (ngừng sử dụng năm 1995), thuốc trừ sâu, hỗn hống nha khoa, pha chế thuốc và kính thiên văn gương lỏng

Trong nông nghiệp, người ta sử dụng lượng lớn các hợp chất thuỷ ngân hữu cơ

để chống nấm và làm sạch các hạt giống

Ngoài ra thuỷ ngân còn được dùng nhiều trong các thiết bị nghiên cứu khoa học, làm thuốc diệt chuột, thuốc trừ sâu, chất tẩy uế

1.1.5 Độc tính của thuỷ ngân

Tính độc của thuỷ ngân trong mỗi loại hợp chất phụ thuộc vào tính chất vật lý và hóa học của nó [9, 14]

- Thuỷ ngân kim loại ở trạng thái lỏng tương đối trơ và độc tính thấp Nhưng hơi thuỷ ngân thì rất độc, do thuỷ ngân ở dạng hơi sẽ dễ dàng bị hấp thu ở phổi rồi vào máu và não trong quá trình hô hấp dẫn đến huỷ hoại hệ thần kinh trung ương

- Dạng muối thuỷ ngân (I) Hg22+có độc tính thấp do khi vào cơ thể sẽ tác dụng với ion Cl-

có trong dạ dày tạo thành hợp chất không tan Hg2Cl2 sau đó bị đào thải

ra ngoài

- Dạng muối thuỷ ngân (II) Hg2+ có độc tính cao hơn nhiều so với muối Hg22+,

nó dễ dàng kết hợp với aminoaxit có chứa lưu huỳnh trong protein Hg2+ cũng tạo liên kết với hemoglobin và albumin trong huyết thanh vì cả hai chất này đều có nhóm thiol (SH) Song Hg2+ không thể dịch chuyển qua màng tế bào nên nó không thể thâm nhập vào các tế bào sinh học

- Các hợp chất hữu cơ của thuỷ ngân có độc tính cao nhất, đặc biệt là metyl thuỷ ngân CH3Hg+, chất này tan được trong mỡ, phần chất béo của các màng và trong não tuỷ Đặc tính nguy hiểm nhất của ankyl thuỷ ngân (RHg+) là có thể dịch chuyển được qua màng tế bào và thâm nhập vào mô của tế bào thai qua nhau thai Khi người mẹ bị nhiễm metyl thuỷ ngân thì đứa trẻ sinh ra thường chịu những tổn thương không thể hồi phục được về hệ thần kinh trung ương, gây bệnh tâm thần phân liệt, co giật, trí tuệ kém phát triển

Khi thuỷ ngân liên kết với màng tế bào sẽ ngăn cản quá trình vận chuyển đường qua màng làm suy giảm năng lượng của tế bảo, gây rối loạn việc truyền các xung thần kinh Nhiễm độc metyl thuỷ ngân cũng dẫn tới sự phân chia nhiễm sắc thể, phá

vỡ nhiễm sắc thể và ngăn cản sự phân chia tế bào

Trong môi trường nước, thuỷ ngân và muối của thuỷ ngân có thể chuyển hóa thành metyl thuỷ ngân hay đimetyl thuỷ ngân (CH3)2Hg bởi các vi khẩn kỵ khí Đimetyl thuỷ ngân trong môi trường axit yếu sẽ chuyển hoá thành metyl thuỷ ngân

0,100 g/L (21oC)

1 g/L (21oC)

Tỉ khối 5,4 g/cm

3

(25 oC)

7,15 g/cm3(19 oC)

4,06 g/cm3(20 oC)

3,1874 g/cm3(20 oC)

Độ tan của đa số các hợp chất thủy ngân có ý nghĩa quan trọng đối với độc tính của hợp chất Mặc dù vậy cũng có những hợp chất có độc tính rất cao mặc dù tan không tốt trong nước, điển hình như trường hợp metyl thủy ngân clorua

1.1.6 Quá trình tích lũy sinh học của thuỷ ngân

Như mọi nguyên tố hóa học thông thường, trên trái đất tồn tại một lượng xác định thủy ngân tồn tại dưới các dạng đơn chất và hợp chất Tuy nhiên, do những tác động của tự nhiên và con người nên thuỷ ngân có thể chuyển hoá từ da ̣ng này sang dạng khác trong môi trường Thuỷ ngân được giải phóng vào khí quyển bởi nhiều nguồn khác nhau, sau đó phân tán và chuyển vào không khí, lắng đọng xuống trái đất và được lưu giữ hoặc chuyển hoá trong đất, nước và không khí Thuỷ ngân lắng đọng xuống trái đất theo nhiều cách và tốc độ khác nhau, phụ thuộc vào dạng vất lý

và hoá học của nó

Sự hoạt động của núi lửa, việc sử dụng thủy ngân trong khai thác vàng, hoạt động của nhà máy nhiệt điện và các nhà máy sản xuất xút, sản xuất giấy, sản xuất nhựa PVC…là những nguyên nhân chính gây ra sự ô nhiễm thủy ngân trong môi

trường Người ta ước tính mỗi năm trên thế giới có khoảng trên 6000 tấn thủy ngân được thải vào môi trường và con số này có xu hướng gia tăng

Trong môi trường thuỷ ngân vô cơ có thể bị metyl hoá thành muối metyl thuỷ ngân, đặc biệt là trong đất [9, 13, 16, 18] Người ta đã tìm thấy các vi khuẩn và vi sinh vật trong đất và nước có chứa metylcobanamin Khi metylcobanamin gặp các ion thuỷ ngân vô cơ, metyl thuỷ ngân dễ dàng được sinh ra bởi các quá trình hoá học và sinh học Một phần metyl thuỷ ngân sinh ra bị phân huỷ bởi ánh sáng tử ngoại thành các dạng vô cơ

Nhà máy hoá chất Minamata thải thuỷ ngân vô cơ vào vịnh Minamata nhưng trong cá của vịnh lại tìm thấy CH3Hg+, điều này được giải thích như sau: thuỷ ngân hoặc muối của nó có thể chuyển hoá thành metyl thuỷ ngân nhờ các vi khuẩn yếm khí trong trầm tích và nước Sự chuyển hoá này được thúc đẩy bởi Co(III) trong coenzym vitamin B12 Nhóm CH3- liên kết với Co(III) trong coenzym được chuyển thành CH3Hg+ hoặc (CH3)2Hg Đimetyl thuỷ ngân trong môi trường axit sẽ chuyển hoá thành metyl thuỷ ngân Chính metyl thuỷ ngân đã tham gia vào chuỗi thức ăn thông qua vi sinh vật trôi nổi và được tập trung ở cá với nồng độ lớn gấp hàng nghìn lần so với ban đầu Trong môi trường, thuỷ ngân lại được tích luỹ trong chuỗi thức

ăn, chính vì vậy các sinh vật có vị trí trong dinh dưỡng trong chuỗi thức ăn càng cao thì có chứa nồng độ thuỷ ngân càng cao [52]

Quá trình metyl hoá thuỷ ngân là yếu tố quan trọng nhất góp phần đưa thuỷ ngân vào trong chuỗi thức ăn Sự chuyển hoá sinh học của các hợp chất thuỷ ngân vô cơ thành thuỷ ngân hữu cơ - metyl thuỷ ngân có thể xảy ra trong trầm tích, trong nước

và trong cả cơ thể sinh vật [54] Các phản ứng đề metyl hoá xảy ra cùng với quá trình bay hơi của đimetyl thuỷ ngân làm giảm lượng metyl thuỷ ngân trong nước Khoảng gần 100% thuỷ ngân tích luỹ sinh học trong cá là dạng metyl thuỷ ngân Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tích luỹ sinh học của thuỷ ngân trong môi trường nước, bao gồm độ axit (pH), chiều dài của chuỗi thức ăn, nhiệt độ và các chất hữu cơ hoà tan … Thuỷ ngân sẽ tích luỹ trong sinh vật khi quá trình hấp thu lớn hơn quá trình đào thải thuỷ ngân Mặc dù tất cả các dạng của thuỷ ngân đều có

thể tích luỹ tới một mức độ nhất định, tuy nhiên metyl thuỷ ngân tích luỹ nhiều hơn các dạng khác của thuỷ ngân Quá trình sản sinh và tích luỹ metyl thuỷ ngân trong nước là một quá trình quan trọng trong tích luỹ sinh học của thuỷ ngân, metyl thuỷ ngân thường chiếm một phần tương đối lớn trong tổng lượng thuỷ ngân ở các động vật có mức dinh dưỡng cao, sau đó được sử dụng bởi các loài chim ăn cá, động vật

và con người

Hình 1.2: Chu trình của thủy ngân trong môi trường

Nồng độ thuỷ ngân được tăng nhanh ở mỗi mức trong chuỗi thức ăn, được phản ánh rõ cả ở môi trường nước không bị ô nhiễm Trong các loại cá lớn của thời kỳ xa xưa được bảo quản ở một số bảo tàng, người ta thấy có tích luỹ thuỷ ngân Ngày nay sự ô nhiễm thuỷ ngân đã làm tăng đáng kể nồng độ thuỷ ngân trong mỗi giai

đoạn của chu trình chuyển hoá sinh học

1.2 Các phương pháp phân tích thuỷ ngân trong trầm tích

1.2.1 Các phương pháp phân tích tổng thuỷ ngân và thuỷ ngân vô cơ

Hiện nay, có nhiều phương pháp nhạy và chọn lọc được sử dụng để xác định thuỷ ngân như: phương pháp vi trọng lượng, phương pháp chuẩn độ, phương pháp

đo quang, phương pháp phổ phát xạ nguyên tử (AES), quang nguyên tử (AFS),

→

phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử plasma sóng ngắn (MIP – AES), phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử plasma trực tiếp (DCP – AES), phương pháp kích hoạt nơtron (NAA), phương pháp phổ huỳnh quang tia X (XRF), phương pháp

vi phân tích với đầu dò điện tử (EPMA), phương pháp phát xạ tia X bởi proton (PIXE), phương pháp phổ khối lượng (MS), phương pháp điện hoá, phương pháp

sắc ký (GC) và các phương pháp khác

1.2.1.1 Phương pháp vi khối lượng

Mặc dù ngày nay, phương pháp này không được sử dụng làm phân tích, nhưng nó đã được quan tâm trong thời gian trước Thuỷ ngân được tích luỹ trên bụi đồng trong dung dịch axit, rồi gia nhiệt để thuỷ ngân bay hơi và tạo hỗn hống trên phoi vàng, sau đó quan sát bằng kính lúp [55] Thuỷ ngân cũng được định lượng khi khử thuỷ ngân hợp chất về thuỷ ngân nguyên tố dạng hình cầu nhỏ và soi bằng kính hiển vi [55]

1.2.1.2 Phương pháp đo quang

Là phương pháp phổ biến nhất dùng để xác định thuỷ ngân vào những năm

1960, bằng cách sử dụng chất tạo phức là diphenylthiocarbazo hoặc dithizon Phương pháp này dựa trên phép đo quang của phức màu được chiết vào dung môi hữu cơ sau khi tất cả các dạng thuỷ ngân trong mẫu đã được chuyển thành Hg2+

rồi tạo phức với dithizon Một lượng lớn các bài báo đã đóng góp cho việc xác định thuỷ ngân nhanh hơn, hiệu quả hơn và nhạy hơn [53]

Năm 1965, hiệp hội phân tích (AOAC) đưa ra phương pháp tiêu chuẩn cho việc phân tích thuỷ ngân với quy trình giải chiết, trong đó thuỷ ngân dithionat trong chlorofom được giải chiết vào dung dịch natrithiosunfat, sau đó phân huỷ phức thuỷ ngân thiosunfat và chiết lại bằng dithizon trong chlorofom Giới hạn phát hiện của phương pháp này là 1µg thuỷ ngân, vì vậy mà một số phòng thí nghiệm cho đến nay vẫn tiếp tục phân tích thuỷ ngân bằng phương pháp này Phương pháp so màu sử dụng các chất tạo màu khác nhau hoặc huỳnh quang phân tử cũng đã được áp dụng

để xác định thuỷ ngân Tuy nhiên, ưu điểm chủ yếu của phương pháp này là tạo phức trước hoặc sau cột kết hợp sử dụng sắc ký lỏng hiệu năng cao để tách các dạng

thuỷ ngân và các chất ảnh hưởng Dithizon, Dithiocarbamat và các dẫn xuất của chúng được tạo phức với thuỷ ngân, rồi tách bằng cột pha đảo và xác định bằng

detector UV-Vis hoặc huỳnh quang [35]

1.2.1.3 Phương pháp đo phổ hấp thụ nguyên tử

Quang phổ hấp thụ nguyên tử là phương pháp phổ biến nhất để xác định thuỷ ngân trong tất cả các đối tượng mẫu, phương pháp này dựa trên phép đo phổ hấp thụ nguyên tử của thuỷ ngân kết hợp với kỹ thuật hoá hơi lạnh (CV-AAS) Do thuỷ ngân là nguyên tố kim loại duy nhất có áp suất hơi bão hoà rất cao tại nhiệt độ tương đối thấp nên có thể dễ dàng định lượng bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử.Thuỷ ngân được giải phóng từ dung dịch thành hơi nguyên tử nhờ quá trình khử chọn lọc và được cuốn đi nhờ dòng không khí Người ta thường dùng Sn2+

để khử thuỷ ngân về trạng thái hơi nguyên tử Gần đây, NaBH4 cũng được dùng làm chất khử để xác định thuỷ ngân

Những kỹ thuật loại trừ các chất ảnh hưởng khi xác định thuỷ ngân trong môi trường hữu cơ và các đối tượng mẫu khó phân huỷ hoàn toàn khi dùng đến cả axit mạnh, có ý nghĩa đặc biệt quan trọng Hai kỹ thuật được sử dụng để loại bỏ chất ảnh hưởng là: kỹ thuật tạo hỗn hống với vàng (Au) để làm sạch hơi thuỷ ngân và kỹ thuật bổ chính nền quang học

Kỹ thuật tạo hỗn hống với vàng dựa trên quá trình hấp thụ chọn lọc của thuỷ ngân trên bề mặt vàng ở nhiệt độ phòng, sau khi hơi hữu cơ được loại bỏ, thuỷ ngân được giải phóng ra khỏi bẫy vàng bằng cách gia nhiệt và được ghi đo phổ Kỹ thuật này không những để tinh chế thuỷ ngân mà còn được sử dụng để làm giàu thuỷ ngân trong một thể tích nhỏ trước khi đo nhằm tăng độ nhạy của phép đo [61]

Bổ chính nền quang học được dùng để loại bỏ sự hấp thụ phân tử do hơi hữu cơ gây ra Trong thời gian đầu, người ta dùng nguồn sáng liên tục và sau này người ta dùng hiệu ứng Zeeman kết hợp với đèn liên tục để bổ chính nền Những kỹ thuật này cần thiết khi nguyên tử hoá mẫu bằng lò graphit trong trường hợp mẫu có thành phần nền phức tạp Phương pháp quan phổ hấp thụ nguyên tử sử dụng kỹ thuật bổ chính nền bằng hiệu ứng Zeenman thích hợp cho việc đo mẫu rắn do ảnh

hưởng của phổ nền được loại trừ nhờ hiệu ứng này

Để tăng độ nhạy của phương pháp, người ta thường sử dụng các chất cải biến nền như Pd để tối ưu hoá quá trình hoá hơi và nguyên tử hoá mẫu, phương pháp này

đã được áp dụng để phân tích mẫu bùn mà không cần phân huỷ [50]

Độ nhạy của phép xác định thuỷ ngân được tăng lên 30 lần khi sử dụng bước sóng 184,9nm thay cho bước sóng 253,7nm [58] Tuy nhiên việc sử dụng bước sóng 184,9nm phải được tiến hành trong môi trường chân không, do đó rất khó thực hiện khi phân tích mẫu hàng loạt

Trong đề tài này, chúng tôi sử dụng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử với kỹ thuật hoá hơi lạnh để phân tích hàm lượng tổng ngân, thuỷ ngân vô cơ, thuỷ ngân đioxit và thuỷ ngân hữu cơ trong trầm tích

1.2.1.4 Phương pháp phổ huỳnh quang nguyên tử

Một số tác giả đã ứng dụng phương pháp phổ huỳnh quang nguyên tử để xác định thuỷ ngân [48] Hầu hết các tác giả trước đây thường dùng kỹ thuật nguyên tử hoá ngọn lửa và kích thích huỳnh quang bằng nguồn laser, giới hạn phát hiện của của thuỷ ngân trong nước được xác định bằng phương pháp này khoảng 2µg/l Để tăng độ nhạy của phương pháp, các kỹ thuật nguyên tử hoá bằng hồ quang điện và hoá hơi lạnh đã được áp dụng

Cường độ huỳnh quang trong không khí bị giảm do sự dập tắt huỳnh quang bởi oxy và nitơ Khi thay thế không khí bằng argon (Ar) thì độ nhạy của phương pháp tăng lên khoảng 86 lần Kỹ thuật này được áp dụng để xác định thuỷ ngân bằng cách tạo hỗn hống với vàng hoặc tách pha bằng ống xốp polytetrafloetylen (teflon) sau đó đo phổ huỳnh quang của thuỷ ngân

Nhiều tác giả đã áp dụng phương pháp này để xác định Hg trong không khí và trong nước Hơi thuỷ ngân được giải phóng khỏi dung dịch bởi quá trình khử hoá học và được bẫy vào trong ống bằng vàng Sau đó, ống vàng được gia nhiệt đến

7000C để giải phóng thuỷ ngân và đưa vào cuvet để đo mẫu Phương pháp này có giới hạn phát hiện ở nồng độ thấp và độ lệch chuẩn tương đối khoảng 3% với nồng

độ thuỷ ngân là 1ng

Khi phương pháp huỳnh quang nguyên tử kết hợp với nguồn cảm ứng cao tần Plasma để nguyên tử hoá mẫu thì giới hạn phát hiện khoảng 0,5ng/l, nếu thay thế đèn catốt rỗng bằng đèn hơi thuỷ ngân thì giới hạn phát hiện của phương pháp khoảng 0,2 ng/l Mặc dù độ nhạy của phương pháp này có được cải tiến nhưng nó không có nhiều ưu điểm so với phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử

1.2.1.5 Phương pháp phổ phát xạ nguyên tử

Trong lịch sử, phương pháp phổ phát xạ nguyên tử đã được các nhà địa chất sử dụng rất phổ biến, phương pháp này đã được phát triển mạnh mẽ trong hai thập kỷ qua, bằng việc thay thế nguồn phát xạ ngọn lửa bằng các nguồn khác như hồ quang, laser, cảm ứng cao tần plasma, tạo dòng plasma trực tiếp hoặc plasma tần số radio Thuỷ ngân trong nước được xác định bằng kỹ thuật plasma tạo sóng ngắn He ở áp suất khí quyển kết hợp với hoá hơi lạnh (CV – MIP – AES), giới hạn phát hiện của phương pháp này vào khoảng 4 ng Việc ghép nối thiết bị phân tích dòng chảy với thiết bị trên đã được nhiều tác giả đề cập Hơi thuỷ ngân và hiđrua kim loại liên tục được đưa vào buồng tạo plasma còn hơi nước và hiđro sinh ra trong quá trình khử được giữ lại trên màng xốp Giới hạn phát hiện thuỷ ngân của phương pháp này là

50 ng/l

Phương pháp phổ phát xạ nguyên tử sử dụng nguồn cảm ứng plasma cũng được

áp dụng để phân tích thuỷ ngân trong mẫu nước Để tăng hiệu suất quá trình hoá hơi nguyên tử, amoni sunfua (NH4)2S được bơm vào cùng với mẫu, nhờ đó độ tuyên tính của phương pháp đạt là 10 – 1000 ng/l

Kết quả thu được từ việc phân tích hàm lượng thuỷ ngân tổng số trong mẫu máu và cá bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử với kỹ thuật hoá hơi lạnh và quang phổ phát xạ nguyên tử sử dụng nguồn tạo plasma trực tiếp kết hợp hoá hơi lạnh (CV – DCP) là khá phù hợp Tuy nhiên độ nhạy của phương pháp này còn hạn chế, giới hạn phát hiện đối với thuỷ ngân là 20 mg/l

1.2.1.6 Phương pháp phân tích huỳnh quang tia X và kích hoạt nơtron

Ưu điểm cơ bản của phương pháp huỳnh quang tia X và kích hoạt nơtron là thời gian phân tích tương đối ngắn, không cần phân huỷ mẫu trước khi phân tích, có

độ nhạy và độ chính xác cao

Nguyên tắc của phương pháp kích hoạt nơtron là dùng chùm nơtron kích hoạt mẫu và đo bức xạ gama được giải phóng bởi 197Hg Giới hạn phát hiện của phương pháp này khoảng 1 ng/l

Phương pháp kích hoạt nơtron đã được ứng dụng nhiều để phân tích thuỷ ngân trong các mẫu rắn có thành phần đơn giản, thuỷ ngân được xác định trực tiếp

mà không cần phải xử lý mẫu trước khi phân tích Đối với các mẫu sinh học và môi trường như các mẫu trầm tích, mô tế bào, máu , do có thành phần tương đối phức tạp, nên trước khi phân tích, mẫu cần thiết phải được xử lý Một số tác giả chỉ ra rằng quá trình xử lý mẫu thường gây mất thuỷ ngân do trước khi phân tích mẫu phải được làm khô Do vậy phương pháp này ít được xử dụng để phân tích thuỷ ngân và dạng thuỷ ngân trong các mẫu sinh học và môi trường

Phương pháp quang phổ huỳnh quang tia X phản xạ toàn phần là kỹ thuật mới trong phân tích đa nguyên tố với độ nhạy tốt Thuỷ ngân trong mẫu rắn được phân tích trực tiếp bằng phương pháp này mà không cần quá trình phân huỷ mẫu bằng axit Tuy nhiên việc áp dụng phương pháp này để phân tích thuỷ ngân trong các mẫu trầm tích còn hạn chế

1.2.1.7 Phương pháp phổ khối lượng

Phương pháp phổ khối nguồn tia điện (spark source) lần đầu tiên được áp dụng phân tích thuỷ ngân trong táo [64], nguyên tắc của phương pháp là tạo ra xung điện giữa hai điện cực để hoá hơi và ion hoá mẫu, sau đó các ion được đưa vào detector khối phổ và sử dụng một đồng vị ổn định làm nội chuẩn Phương pháp phổ khối nguồn tia điện được ứng dụng nhiều vào những năm 70, hiện nay nó đã được thay thế bằng phương pháp phổ khối lượng với nguồn cảm ứng cao tần plasma (ICP – MS), do phương pháp này có nhiều ưu điểm vượt trội

Phương pháp ICP – MS kết hợp với phương pháp khử liên tục sử dụng NaBH4 đã được ứng dụng để xác định Hg ở hàm lượng vết trong nước tự nhiên và trầm tích Sự phát triển của phương pháp ICP – MS đã mở rộng lĩnh vực phân tích thuỷ ngân không chỉ trong các đối tượng địa chất mà còn trong nhiều lĩnh vực khác nhau như lĩnh vực sinh hoá, hoá dầu Việc kết hợp sử dụng phương pháp phân tích dòng chảy, sắc ký lỏng ghép với thiết bị ICP – MS đã được nhiều tác giả nghiên cứu [41]

1.2.1.8 Phương pháp phân tích điện hoá

Những kỹ thuật cực phổ đã được sử dụng đã được sử dụng để phân tích dạng thuỷ ngân trong mẫu nước Thế oxy hoá khử của những dạng thuỷ ngân khác nhau

là khác nhau, do đó người ta có thể xác định dạng thuỷ ngân bằng phương pháp cực phổ Metyl thuỷ ngân có thể được xác định trong môi trường không tạo phức bằng phương pháp vôn-ampe hoà tan anot xung vi phân trên điện cực màng vàng, giới hạn phát hiện khoảng 2.10-8 mol/l với thời gian điện phân là 5 phút [33] Tuy nhiên, khi áp dụng phương pháp này cho các mẫu sinh học và môi trường, người ta cần thiết phải loại bỏ những chất ảnh hưởng mà quá trình thao tác không đơn giản như đối với phương pháp CV-AAS

1.2.2 Các phương pháp phân tích định dạng thuỷ ngân

Tính chất hoá lý của muối ankyl thuỷ ngân phụ thuộc vào bản chất của anion liên kết Ví dụ, metyl thuỷ ngân cysteinat tan trong nước nhưng không tan trong benzen trong khi metyl thuỷ ngân clorua không tan trong nước mà lại tan trong dung môi hữu cơ Sự khác nhau về tính chất hoá lý này đã được dùng để làm sạch mẫu trước khi phân tích

Dimetyl thuỷ ngân được sinh ra trong quá trình metyl hoá metyl thuỷ ngân là một chất độc dễ bay hơi có độ tan thấp trong nước và bị phân huỷ từng phần khi chiết trong môi trường axit mạnh Dimetyl thuỷ ngân có thể bị mất trong khi bảo quản mẫu, đồng nhất mẫu, chiết hoặc trong các quá trình khác của chuẩn bị mẫu Mặc dù nó được phát hiện trong một số mẫu môi trường, hiện nay chưa có phương

pháp thích hợp nào để định lượng đimetyl thuỷ ngân trong các mẫu môi trường

Quá trình phân tích các dạng thuỷ ngân được thực hiện sau khi đã tách các dạng khác nhau của chúng và đo định lượng mỗi loại bằng các phương pháp nhạy

và chọn lọc phù hợp Những phương pháp dùng để tách các dạng thuỷ ngân bao gồm: sắc ký lỏng, sắc ký khí, chiết chọn lọc, điện phân, điện li, đông kết tủa, phản ứng hoá học và tạo hỗn hống [27, 32]

Hiện nay trên thế giới đã có hơn 100 quy trình để phân tích các dạng thuỷ ngân qua việc kết hợp giữa phương pháp đo và kỹ thuật tách như trên Tuy nhiên chỉ có rất ít quy trình được sử dụng rộng rãi vì giá thành cao và hạn chế về độ lặp lại, độ chính xác và tốc độ phân tích mẫu Những phát triển gần đây cho thấy, việc tách các dạng thuỷ ngân sử dụng HPLC, GC kết hợp với phương pháp đo phổ phát

xạ plasma, phổ khối và phổ hấp thụ nguyên tử đã nâng cao khả năng phát hiện và đo chọn lọc các dạng thuỷ ngân [39]

1.2.2.1 Phương pháp khử chọn lọc

Quá trình định dạng các hợp chất thuỷ ngân có thể sử dụng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử với kỹ thuật hoá hơi lạnh [22] Phương pháp được Magos đề xuất năm 1979 dựa trên kỹ thuật khử chọn lọc các hợp chất thuỷ ngân vô

cơ và hữu cơ Metyl thuỷ ngân trong cystein bị khử rất chậm bằng thiếc II clorua trong môi trường kiềm còn muối thuỷ ngân vô cơ bị khử ngay lập tức thành dạng hơi nguyên tử Khi thêm CdCl2 vào SnCl2 làm tăng tốc độ khử metyl thuỷ ngân Do vậy, quá trình khử chọn lọc có thể kiểm soát được trong môi trường kiềm bằng cách

sử dụng SnCl2 hoặc SnCl2 + CdCl2 [57, 67] Thông qua việc thay đổi điều kiện khử trong hệ phản ứng tự động, năm 1980 tác giả Gouldel đã xác định được dạng thuỷ ngân vô cơ, thuỷ ngân có vòng thơm và ankyl thuỷ ngân bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử

Việc xác định đồng thời metyl thuỷ ngân, thuỷ ngân vô cơ, và tổng thuỷ ngân trong trầm tích có thể thực hiện bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử kết hợp với sắc ký khí Các dạng thuỷ ngân được etyl hoá ở nhiệt độ phòng bằng natri

tetraetylborat [60], dạng metyl thuỷ ngân và thuỷ ngân II được chuyển hoá thành etyl thuỷ ngân và metyl-etyl thuỷ ngân dễ bay hơi được tách bằng sắc ký khí, sau đó các dạng này được chuyển hoá tới cuvet thạch anh nung ở nhiệt độ 8000C để hoá hơi, nguyên tử hoá và phát hiện bằng phổ hấp thụ nguyên tử

Quá trình khử chọn lọc sử dụng NaBH4 và SnCl2 để phân tích dạng thuỷ ngân cũng được nhiều tác giả nghiên cứu [57] Thuỷ ngân vô cơ được khử về dạng hơi nguyên tử và xác định bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử với kỹ thuật hoá hơi lạnh, các dạng thuỷ ngân hữu cơ được khử bằng NaBH4 về các dạng hyđrua sau đó tách bằng sắc ký khí và phát hiện bằng phép đo phổ hấp thụ nguyên tử

Các bước tối ưu hoá của quy trình tạo hyđrua cho việc phân tích thuỷ ngân

sử dụng cuvet thạch anh co gia nhiệt để tăng độ nhạy trong phân tích thuỷ ngân sử dụng cuvet thạch anh có gia nhiệt để tăng độ nhạy trong phân tích phổ hấp thụ nguyên tử đã từng được một số bài thảo luận [36, 48] Các kết quả chỉ ra rằng, khi tăng nhiệt ở cuvet thạch anh, khả năng hoá hơi nguyên tử của thuỷ ngân sẽ tăng lên

và độ nhạy của phương pháp cũng được tăng lên, tuy nhiên khi nhiệt độ cao thì tuổi thọ của cuvet thạch anh cũng giảm, do vậy nhiệt tối đa cho quá trình này là 10000C

Người ta cũng đã kết hợp phương pháp điện phân và phổ hấp thụ nguyên tử

để phân tích dạng thuỷ ngân [46] Thuỷ ngân vô cơ được kết tủa trên điện cực Pt với hiệu suất 95% tại -0,1V, trong khi thuỷ ngân hữu cơ bắt đầu kết tủa khi thế nhỏ hơn -0,2 V Sau khi điện phân tại -0,1 V, thuỷ ngân hữu cơ được xác định bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử với kỹ thuật hoá hơi lạnh Thuỷ ngân vô

cơ được xác định qua dung dịch ban đầu bằng cách khử với SnCl2

1.2.2.2 Phương pháp chiết

Thuỷ ngân tổng số được xác định nhanh bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử với kỹ thuật lò graphit [49], hoặc kỹ thuật hoá hơi lạnh Các dẫn xuất của thuỷ ngân hữu cơ được chiết vào clorofom hoặc benzen hoặc toluen sau đó được giải chiết trong dung dịch natrithiosunfat và xác định như thuỷ ngân tổng số Một số tác giả cũng đề xuất quy trình chiết bằng cách tạo phức với đithizon trong

benzen để xác định metyl thuỷ ngân, còn hàm lượng thuỷ ngân tổng số được xác định bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử

Năm 1966 Westoo đã xây dựng quy trình chiết ngược [65], trong đó metyl thuỷ ngân clorua được chiết vào benzen và sau đó giải chiết trong dung dịch cystein tạo thành phức thuỷ ngân cysteinat tan trong nước Sau khi axit hoá để phân huỷ phức thuỷ ngân với cystein, metyl thuỷ ngân lại được chiết vào benzen Quy trình này đã được giới thiệu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới

1.2.2.3 Phương pháp điện di mao quản

Phương pháp điện di mao quản (CE) là kỹ thuật tách hiệu quả đối với nhiều loại chất, từ các ion kim loại đến các hợp chất sinh học có khối lượng phân tử lớn Trong phương pháp điện di mao quản, quá trình tách dựa trên sự dịch chuyển khách nhau của các chất trong điện trường Các cation kim loại dịch chuyển về phía catot, chúng được solvat hoá và mang theo dung dịch hướng về phía âm của mao quản tạo thành dòng điện di Những ion có điện tích cao và kích thước nhỏ sẽ dịch chuyển nhanh hơn các ion có kích thước lớn hơn và điện tích nhỏ hơn, nghĩa là những chất

có tỉ lệ giữa điện tích và kích thước càng lớn thì tốc độ di chuyển trong điện trường càng nhanh Thông thường mao quản sử dụng trong phương pháp điện di mao quản

là ống silica, có đường kính trong từ 20 – 100 µm và chiều dài từ 50 – 100 cm Thế điện áp được đưa vào trong ống mao quản từ 20 – 30 kV

Việc áp dụng phương pháp điện di mao quản kết hợp với phổ khối lượng với nguồn cảm ứng cao tần plasma (CE – ICP – MS) đã được nhiều tác giả nghiên cứu [41] Các dạng thuỷ ngân thường được tạo phức để tạo thành các hợp chất mang điện trước khi tách bằng phương pháp điện di mao quản, các tác nhân tạo phức thường được sử dụng là systein, đithizon sunphonat Phương pháp này thường có nhược điểm là thể tích mẫu được sử dụng rất nhỏ (khoảng 10 nl) dẫn đến độ nhạy của phương pháp thấp hơn nhiều so với phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao Do vậy việc áp dụng để phân tích dạng thuỷ ngân trong các mẫu môi trường và sinh học vẫn còn hạn chế

1.2.2.4 Phương pháp sắc ký khí

Phương pháp sắc ký khí kết hợp với detector bắt điện tử (GC-ECD) là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để xác định metyl thuỷ ngân trong các mẫu sinh học và môi trường [11, 15, 37]

Trong phương pháp sắc ký, các dạng thuỷ ngân được tách dựa trên sự khác nhau của nhiệt độ bay hơi và sự tương tác của chúng với pha tĩnh Hiện nay người

ta thường sử dụng hai loại cột tách là cột nhồi và cột mao quản Cột mao quản thường có chiều dài từ 10 đến 100 m và đường kính trong khoảng 0,2 đến 0,7 mm, thành trong của loại cột này được tẩm một lớp pha tĩnh mỏng, có chiều dày từ 0,2 đến 5 µm Cột sắc ký đặt trong buồng điều nhiệt và được điều khiển bởi chương trình nhiệt độ Pha động thường được sử dụng là khí trơ hêli hoặc nitơ để vận chuyển các chất bay hơi đến detector Nhiệt độ và tốc độ pha động có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình tách các dạng thuỷ ngân [39]

Để đạt hiệu quả cao trong quá trình tách bằng sắc ký khí, các dạng thuỷ ngân phải được chuyển hoá thành các hợp chất bay hơi và bền nhiệt Thuốc thử Grignard thường được sử dụng để butyl hoá các dạng thuỷ ngân [45], thuỷ ngân được chiết vào dung môi hữu cơ sau đó phản ứng với thuốc thử Grignard, hiệu suất chiết của các dạng thuỷ ngân trong các đối tượng mẫu khác nhau có ảnh hưởng lớn đến kết quả phân tích Trong thời gian 5 phút, phản ứng giữa các dạng thuỷ ngân và thuốc thử Grignard xảy ra hoàn toàn, nếu cho dư thuốc thử, các dạng thuỷ ngân sẽ chuyển hoá thành đibutyl thuỷ ngân, dẫn đến không phân biệt được các dạng thuỷ ngân Sự

có mặt của các halogen trong mẫu như brom và iot sẽ phá huỷ các hợp chất ankyl thuỷ ngân trong quá trình phân tích

Natri tetraetyl borat cũng được sử dụng để etyl hoá các dạng thuỷ ngân trong dung dịch [29] Các dạng etyl thuỷ ngân được bay hơi và hấp phụ trong cột Các dạng thuỷ ngân sau khi etyl hoá cũng được chiết vào dung môi hữu cơ như hexan hoặc iso-octan sau đó bơm vào cột sắc ký bằng phương pháp truyền thống

Việc tạo ra các dẫn xuất mới để tăng hiệu suất tách bằng phương pháp sắc ký khí như metyl thuỷ ngân metylen bromua (MeHgCH Br) và các dẫn xuất của

điankyl sử dụng metyl cobalamin đã được nhiều tác giả đề cập Trong phương pháp này người ta sử dụng propyl thủy ngân bromua như là một chất nội chuẩn Người ta cũng đã sử dụng cột nhồi thay cho cột mao quản trong phương pháp GC-ECD để phân tích thuỷ ngân vô cơ và thuỷ ngân hữu cơ trong các mẫu sinh học Các kết quả nghiên cứu cho thấy, khi sử dụng cột nhồi pha tĩnh AT-1000 cho hiệu quả tốt nhất

để tách các dạng metyl thuỷ ngân, etyl thuỷ ngân và phenyl thuỷ ngân [37]

1.2.2.5 Phương pháp sắc ký lỏng

Việc sử dụng sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) để xác định dạng thuỷ ngân có

ưu điểm là chuẩn bị mẫu đơn giản, không cần phải tạo các hợp chất dễ bay hơi, bền nhiệt phức tạp như trong phân tích bằng sắc ký khí Việc sử dụng kết hợp giữa HPLC cùng detector quang phổ hấp thụ nguyên tử là một phương pháp định dạng đơn giản và chọn lọc các kim loại [66]

Nguyên tắc của phương pháp dựa trên sự tách các dạng thuỷ ngân có độ phân cực khác nhau trên cột nhồi silicagen có đường kính hạt từ 3-10µm Trên bề mặt của hạt có phủ một lớp pha tĩnh thông thường là octadecylsilan (ODS), các loại cột

sử dụng pha tĩnh này được gọi là cột C18 ODS là một chất không phân cực do vậy

nó phải kết hợp với dung môi pha động phân cực [62] Khi chất phân tích được bơm vào sẽ xuất hiện cân bằng giữa pha động và pha tĩnh, các chất phân cực có thời gian lưu ngắn hơn do cân bằng dịch chuyển theo hướng pha động, còn các chất không phân cực sẽ dữ lại trên pha tĩnh do vậy thời gian lưu dài hơn Dựa trên nguyên tắc này mà các dạng thuỷ ngân được tách bằng kỹ thuật sắc ký, để tăng độ nhạy và khả năng tách của kỹ thuật phân tích, các dạng thuỷ ngân thường được phản ứng với các hợp chất có chứa lưu huỳnh như mecaptoetanol, pyrrolidinedithiocarbamat và mercap-tobenzothiazole [51] Do thuỷ ngân dễ hấp thụ trên bề mặt của thép gây ra hiệu ứng lưu trong quá trình phân tích do vậy cột sắc ký và vòng bơm mẫu cần phải

sử dụng vật liệu là thuỷ tinh trong thiết bị sắc ký lỏng hiệu năng cao

1.3 Các phương pháp phân tích dạng thuỷ ngân trong luận văn

1.3.1 Phân tích hàm lượng tổng thuỷ ngân

Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử để phân tích các dạng thuỷ ngân trong trầm tích

Để xác định thuỷ ngân tổng số trong trầm tích, mẫu được vô cơ hoá bằng phương pháp vô cơ hoá ướt sử dụng hỗn hợp các axit, sau đó xác định bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử với kỹ thuật hoá hơi lạnh

Quy trình phân tích được tóm tắt trong sơ đồ hình 1.3

Hình 1.3 Quy trình phân tích thủy ngân tổng số

1.3.2 Phân ti ́ch thủy ngân hữu cơ

Dạng thuỷ ngân hữu cơ được chiết bởi clorofom (CHCl3) tiếp đó giải chiết bằng natrithiosunfat (Na2S2O3) sau đó được xác định bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử với kỹ thuật hoá hơi lạnh

Quy trình phân tích thủy ngân hữu cơ được tóm tắt như sơ đồ hình 1.4

C

Làm lạnh Định mức đến 50 ml

Hình 1.4 Quy trình phân tích thủy ngân hữu cơ theo Sakamoto

Dạng thuỷ ngân vô cơ được tính toán dựa vào hàm lượng thuỷ ngân tổng số

và thuỷ ngân hữu cơ

1.3.3 Phân ti ́ch các da ̣ng thủy ngân vô cơ

Chúng tôi thực hiện quy trình tách và phân tích HgO, HgS và các dạng thủy ngân khác theo quy trình của Sakamoto [59] Thủy ngân (II) Oxit trong trầm tích được chiết bằng dung dịch H2SO4 loãng, sau đó hỗn hợp dung dịch HCl, NaCl và CuCl được dùng để chiết HgS Cặn còn lại được dùng phân tích các dạng thủy ngân khác theo quy trình phân tích thủy ngân tổng số Các dạng thủy ngân sau khi được chuyển thành dung dịch được định lượng bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử - kỹ thuật hóa hơi lạnh Dưới đây là quy trình phân tích HgO

Mẫu trầm tích (5 gam)

Cặn

Dung dịch

20 ml CHCl3Lắc 2 phút, ly tâm

Dịch chiết 1

20 ml CHCl3Lắc 2 phút, ly tâm

Cặn

3 ml Na2S2O3Lắc 2 phút, ly tâm

Hình 1.5 Quy trình phân tích HgO theo sakamoto

Mẫu sau khi tách HgO được dùng để phân tích HgS Sau khi HgS được tách, mẫu tiếp tục được sử dụng để phân tích các dạng thủy ngân khác

Quy trình phân tích HgS và các dạng khác được tiến hành theo các bước trong sơ đồ hình 1.6, theo đó HgS được hoà tan vào dung dịch bằng dung dịch HCl

1 M chứa NaCl và có mặt CuCl

Dung dịch

Mở nắp để khô

10 ml H2SO4 Lắc 2 phút

Dung dịch

Că ̣n sau khi chiết bằng CHCl 3

AAS

Định mức 50 ml Khử bằng SnCl2

Hơi thuỷ ngân

Ly tâm

Că ̣n Phân tích HgS

và các dạng khác

Hình 1.6 Quy trình phân tích HgS và các dạng khác theo Sakamoto

1.3.4 Ứng dụng của phương pháp quang phổ hấp thụ nguy ên tử trong phân tích thủy ngân

1.3.4.1 Nguyên tắc của phép đo

Cơ sở lý thuyết của phương pháp đo phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) là dựa trên sự hấp thụ năng lượng (bức xạ đơn sắc) của nguyên tử tự do của một nguyên tố ở trạng thái hơi (khí) khi chiếu chùm tia bức xạ đơn sắc qua đám mây hơi nguyên tử

Dung dịch

Định mức 100 ml Khử bằng SnCl2

Dung dịch

Dung dịch

0,5 gam CuCl

20 ml HCl 1M, NaCl 3 % Lắc 10 phút

Dung dịch

Că ̣n sau khi chiết HgO

AAS xác định HgS

Ly tâm

Că ̣n

0,5 gam CuCl 20ml HCl 1M, NaCl 3 % Lắc 10 phút

C Làm lạnh

Định mức đến 50 ml SnCl2

Xác định các dạng khác

tự do của nguyên tố ấy trong môi trường hấp thụ Môi trường hấp thụ chính là đám hơi nguyên tử tự do của mẫu phân tích Do đó muốn thực hiện phép đo phổ hấp thụ nguyên tử của một nguyên tố cần phải thực hiện các quá trình sau:

1 Chọn các điều kiện và một loại trang bị phù hợp để chuyển mẫu phân tích từ trạng thái ban đầu (rắn hay dung dịch) thành trạng thái hơi của các nguyên tử tự do

Đó chính là quá trình hoá hơi và nguyên tử hoá mẫu

2 Chiếu chùm tia bức xạ đặc trưng của nguyên tố cần phân tích qua đám hơi nguyên tử tự do vừa điều chế được ở trên Các nguyên tử của nguyên tố cần xác định trong đám hơi sẽ hấp thụ những tia bức xạ nhất định và tạo ra phổ hấp thụ của nó

3 Tiếp đó, nhờ một hệ thống máyquang phổ người ta thu toàn bộ chùm sáng, phân ly và chọn một vạch phổ hấp thụ của nguyên tố cần phân tích để đo cường độ của nó Cường độ đó chính là tín hiệu hấp thụ Trong một giới hạn nhất định của nồng độ C, giá trị cường độ này phụ thuộc vào nồng độ C của nguyên tố ở trong mẫu phân tích theo phương trình:

Trong đó: Aλ : Cường độ của vạch phổ hấp thụ

k: Hằng số thực nghiệm C: Nồng độ nguyên tố cần xác định trong mẫu đo phổ

b: Hằng số bản chất (0< b≤ 1) Hằng số thực nghiệm k phụ thuộc vào tất cả các điều kiện hoá hơi và nguyên tử hoá mẫu nhất định đối với mỗi hệ thống máy AAS và với các điều kiện đã chọn cho mỗi phép đo; b là hằng số bản chất phụ vào từng vạch phổ của từng nguyên tố Giá trị b = 1 khi nồng độ C nhỏ, khi C tăng thi b nhỏ xa dần giá trị 1

Như vậy mối quan hệ giữa Aλ và C là tuyến tính trong một khoảng nồng độ nhất định Khoảng nồng độ này được gọi là khoảng tuyến tính của phép đo Trong phép

đo AAS, phương trình (I) ở trên chính là phương trình cơ sở để định lượng một nguyên tố

1.3.4 2 Trang bị của phép đo

Dựa vào nguyên tắc của phép đo, ta có thể mô tả hệ thống trang bị của thiết bị

đo ph ổ AAS theo sơ đồ sau:

Hình 1.7: Sơ đồ nguyên tắc của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử

(1)- Nguồn phát chùm tia bức xạ cộng hưởng của nguyên tố cần phân tích Đó

có thể là đèn catot rỗng (Hollow Cathode Lamp-HCL), hay đèn phóng điện không điện cực (Electrodeless Discharg Lamp - EDL), hoặc nguồn phát bức xạ liên tục đã được biến điệu

(2) - Hệ thống nguyên tử hoá mẫu Hệ thống này được chế tạo theo ba loại kỹ thuật nguyên tử hoá mẫu Đó là:

- Nguyên tử hoá mẫu bằng ngọn lửa đèn khí (F-AAS)

- Nguyên tử hoá mẫu không dùng ngọn lửa(ETA-AAS)

- Hoá hơi lạnh (CV-AAS)

(3) Bộ phận đơn sắc (hệ quang học) có nhiệm vụ thu, phân ly và chọn tia sáng (vạch phổ) cần đo hướng vào nhân quang điện để phát hiện và đo tín hiệu hấp thụ AAS của vạch phổ

(4) Bộ phận khuyếch đại và chỉ thị tín hiệu AAS Phần chỉ thị tín hiệu có thể là:

- Điện kế chỉ thị tín hiệu AAS

- Bộ tự ghi để ghi các pic hấp thụ

- Bộ chỉ thị hiện số

- Bộ máy in

- Máy tính với màn hình hiển thị dữ liệu, phần mềm xử lý số liệu và điều khiển toàn bộ máy đo

Trong ba kỹ thuật nguyên tử hoá mẫu thì kỹ thuật F-AAS ra đời sớm hơn Theo

kỹ thuật này, người ta dùng nhiệt ngọn lửa đèn khí để nguyên tử hoá mẫu Do đó

mọi quá trình xảy ra trong khi nguyên tử hoá mẫu đều phụ thuộc vào đặc tính của ngọn lửa và nhiệt độ là yếu tố quyết định hiệu suất nguyên tử hoá mẫu phân tích Trong kỹ thuật nguyên tử hoá không ngọn lửa (ETA - AAS), người ta dùng năng lượng nhiệt của một nguồn năng lượng phù hợp để nung nóng, hoá hơi và nguyên tử hoá mẫu phân tích trong ống cuvet graphit hay thuyền tantan (Ta) Nguồn năng lượng thường được dùng hiện nay là dòng điện có cường độ cao, từ 50-600A và thế thấp khoảng 12V Dưới tác dụng của nguồn năng lượng này, cuvet chữa mẫu phân tích sẽ được nung đỏ tức khắc và mẫu sẽ được hoá hơi và nguyên tử hoá Kỹ thuật này có độ nhạy cao, gầp hàng nghìn lần kỹ thuật F-AAS, hơn nữa lượng mẫu tiêu tốn ít, không tốn nhiều hoá chất Tuy nhiên, do độ nhạy rất cao nên đòi hỏi trong quá trình chuẩn bị mẫu phải rất cẩn thận để tránh nhiễm bẩn mẫu

Với kỹ thuật hoá hơi lạnh người ta thường dùng chất khử để chuyển nguyên tố cần phân tích về dạng nguyên tử tự do hoặc hyđrua sau đó được dẫn tới cuvet thạch anh bằng khí trơ argon và dùng nhiệt của ngọn lửa để phân huỷ hợp chất đó thành hyđro và nguyên tử tự do

1.3.4.3 Nguyên lý của kỹ thuật hoá hơi lạnh

Hai kỹ thuật nguyên tử hoá mẫu bằng ngọn lửa và không dùng ngọn lửa đều dùng năng lượng nhiệt để nguyên tử hoá mẫu Tuy nhiên có một số nguyên tố có nhiệt độ nguyên tử hoá cao, nghĩa là nhiệt độ chuyển từ dạng ion về dạng nguyên tử

tự do nhưng nhiệt độ bay hơi của chúng lại rất thấp

VD: Hg2+ → Hg0 (hơi)

As3+ → As0 (hơi)

Do vậy các nguyên tử tự do sẽ mất trong quá trình đó nếu sử dụng hai kỹ thuật

kể trên Chính vì thể người ta phải sử dụng kỹ thuật hoá hơi lạnh cho các nguyên tố loại này

Kỹ thuật hoá hơi lạnh dựa trên việc chuyển các nguyên tố cần xác định về dạng hợp chất hyđrua hoặc nguyên tử tự do dễ bay hơi Kỹ thuật này được áp dụng cho các nguyên tố: Hg, As, Se, Te, Sb, Sn, Bi… là những nguyên tố dễ chuyển về dạng

nguyên tử tự do hoặc hợp chất hyđrua dễ bay hơi nhờ phản ứng với các chất khử mạnh nào đó Các chất khử được dùng là: Zn bột, Mg bột, NaBH4, SnCl2, …

Đối với nguyên tố thuỷ ngân, trong dung dịch nó là cation, sau khi được khử thành thuỷ ngân trung hoà sẽ bay hơi thành các nguyên tử tự do ngay ở nhiệt độ phòng Người ta dùng hai chất khử là NaBH4 và SnCl2, phản ứng xảy ra như sau: 2NaBH4 + Hg2+ → Hg + B2H6 + H2 + 2Na+

kỹ thuật hoá hơi lạnh

1.3.4.4 Một số phương pháp xử lý mẫu trước khi phân tích

Đối tượng chính của phương pháp phân tích theo AAS là phân tích vi lượng các nguyên tố trong các loại mẫu vô cơ hoặc hữu cơ Nguyên tắc chung khi phân tích các loại mẫu này gồm hai giai đoạn:

- Giai đoạn 1: xử lý mẫu để đưa nguyên tố cần xác định về trạng thái dung dịch theo một kỹ thuật phù hợp để chuyển được hoàn toàn nguyên tố đó vào dung dịch

- Giai đoạn 2: Phân tích các nguyên tố dựa trên phổ hấp thụ nguyên tử của nó, trong những điều kiện thích hợp đã được nghiên cứu và lựa chọn

Trong đó giai đoạn 1 cực kỳ quan trọng không những đối với phương pháp AAS

mà còn đối với các phương pháp khác khi phân tích kim loại Nếu xử lý mẫu không tốt có thể dẫn đến mất nguyên tố phân tích (gây sai số âm) hoặc nhiễm bẩn mẫu (sai

số dương), làm ảnh hưởng đến kết quả phân tích, đặc biệt khi phân tích vi lượng Tuỳ thuộc vào bản chất của chất phân tích, đối tượng mẫu, điều kiện trang bị kỹ thuật…có các phương pháp sau đây để xử lý mẫu

Xử lý mẫu vô cơ

Phân tích dạng trao đổi (còn gọi là dạng dễ tiêu): kim loại ở thể này có thể tan được trong nước, dung dịch muối hoặc axit loãng

Phân tích tổng số: để phân tích tổng số người ta phá huỷ cấu trúc của mẫu để chuyển kim loại về dạng muối tan Có thể phá huỷ mẫu bằng các loại axit có tính oxi hoá mạnh như axit nitric, sunfuric, pecloric hoặc hỗn hợp các axit

Xử lý mẫu hữu cơ

Các chất hữu cơ rất phong phú, đa dạng Trong các mẫu này kim loại ít khi ở dạng dễ tiêu, do đó để phân tích kim loại trong mẫu hữu cơ, thường phải tiến hành phân tích tổng số Trong khi phân tích, mẫu thường được xử lý bằng một trong các phương pháp sau: vô cơ hoá khô, vô cơ hoá ướt, xử lý ướt bằng lò vi sóng, xử lý mẫu bằng kỹ thuật lên men

a phương pháp vô cơ hoá khô

Nguyên tắc: Đốt cháy hợp chất hữu cơ có trong mẫu phân tích để giải phóng kim loại ra dưới dạng oxit, muối hoặc kim loại, sau đó hoà tan tro mẫu bằng các axit thích hợp

Phương pháp vô cơ hoá khô đơn giản, triệt để, yêu cầu tối thiểu sự chú ý của người phân tích, nhưng có nhược điểm là làm mất nguyên tố dễ bay hơi như Hg,

As, Pb khi nhiệt độ ở trên 5000C

Để khắc phục nhược điểm này người ta thường cho thêm các chất bảo vệ như MgO, Mg(NO3)2 hay KNO3 và chọn nhiệt độ thích hợp

b Phương pháp vô cơ hoá ướt

Nguyên tắc: Oxi hoá chất hữu cơ bằng một axit hoặc hỗn hợp axit có tính oxi hoá mạnh thích hợp

Phương pháp vô cơ hoá ướt rút ngắn thời gian so với phương pháp vô cơ hoá khô, bảo toàn được chất phân tích, nhưng phải dùng một lượng axit khá nhiều, vì vậy yêu cầu các axit phải có độ tinh khiết rất cao

c Phương pháp vô cơ hoá bằng lò vi sóng

Thực chất là vô cơ hoá ướt được thực hiện trong lò vi sóng

Nguyên tắc: Dùng năng lượng của lò vi sóng để đun nóng dung môi và mẫu được

đựng trong bình kín Trong điều kiện nhiệt độ và áp suất có thể dễ dàng hoà tan được mẫu

Đây là phương pháp xử lý mẫu hiện đại, làm giảm đáng kể thời gian xử lý mẫu, không bị mất mẫu và vô cơ hoá được triệt để Có thể cùng một lúc vô cơ hóa được nhiều mẫu Tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi thiết bị đắt tiền mà nhiều cơ

sở không đủ điều kiện trang bị

d Phương pháp lên men

Nguyên tắc: Hoà tan mẫu thành dung dịch hay huyền phù Thêm men xúc

tác và lên men ở nhiệt độ 37 – 40 0

C trong thời gian từ 7 – 10 ngày Trong quá trình lên men, các chất hữu cơ bị phân huỷ thành CO2, axit, nước và giải phóng các kim loại trong hợp chất hữu cơ dưới dạng cation trong dung dịch

Phương pháp lên men là phương pháp êm dịu nhất, không cần hoá chất, không làm mất các nguyên tố phân tích, rất thích hợp với việc phân tích các mẫu đường, sữa, nước ngọt, tinh bột Nhưng thời gian xử lý mẫu rất lâu và phải chọn được các loại men thích hợp Trong các đối tượng phức tạp, khi các nguyên tố đi kèm có nồng độ rất cao trong mẫu ảnh hưởng tới việc xác định nguyên tố cần phân tích bằng AAS thì người ta phải dùng thêm kỹ thuật chiết, kỹ thuật này không những tách được các nguyên tố đi kèm mà còn làm giàu được nguyên tố cần phân tích

Tác nhân vô cơ hoá

Khi xử lý mẫu bằng phương pháp vô cơ hoá ướt và lò vi sóng, việc lựa chọn tác nhân oxi hoá phải căn cứ vào khả năng, đặc tính oxi hoá của thuốc thử và đối tượng mẫu

Axit nitric (HNO 3 )

Axit nitric là một chất được sử dụng rộng rãi nhất để vô cơ hoá mẫu Đây là tác nhân vô cơ hoá dùng để giải phóng nhanh vết nguyên tố từ các cốt sinh học và thực vật dưới dạng muối nitrat dễ tan Điểm sôi của axit nitric ở áp suất khí quyển là

1200C, lúc đó chúng sẽ oxi hoá toàn bộ các chất hữu cơ trong mẫu và giải phóng

kim loại dưới dạng ion

Loại mẫu được áp dụng: Chủ yếu là các mẫu hữu cơ như nước giải khát, protein, chất béo, nguyên liệu thực vật, nước thải, một số sắc tố polyme và các mẫu trầm tích

Axit pecloric (HClO 4 )

Axit pecloric có tính oxi hoá mạnh, có thể ăn mòn các kim loại không phản ứng với các axit khác, phá huỷ các hợp chất hữu cơ Do HClO4 có thể gây nổ mạnh khi tiếp xúc với nguyên liệu hữu cơ và các chất vô cơ dễ bị oxi hoá nên phải oxi hoá mẫu bằng HNO3 trước sau đó mới sử dụng HClO4

Trong trường hợp phá mẫu bằng lò vi sóng cần phải rất thận trọng, vì trong bình kín, ở áp suất và nhiệt độ cao HClO4 rất dễ gây nổ

Loại mẫu được áp dụng: Các mẫu vô cơ và hữu cơ Trong nhiều trường hợp

ta phải sử dụng hỗn hợp các axit mới có thể vô cơ hoá được hoàn toàn mẫu