PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC TRONG XÁC ĐỊNH Ô NHIỄM NƯỚC

PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC TRONG XÁC ĐỊNH Ô NHIỄM NƯỚC

1 Xác định nồng độ nitrit, nitrat trong nước ngầm

Sử dụng phương pháp trắc quang - kết hợp với cột khử Cd- Cu: Bản chất của phương pháp là sử dụng thuốc thử Griss gồm axit sunfanilic và apha-naphtylamin để tạo sản phẩm màu azo với ion nitrit Đầu tiên cho nitrit phản ứng với axit sunfanilic tạo thành muối điazo:

Sau đó cho muối này phản ứng với α- naphtylamin tạo thành hợp chất azo có màu hồng

Người ta có thể xác định tổng NO3- và NO2- để từ đó xác định nitrat trong cùng một mẫu bằng phương pháp khá đơn giản là sử dụng hỗn hợp Cd-Cu

Nguyên tắc của phương pháp như sau:

Ion NO3- bị khử thành ion NO2- với sự có mặt của Cd Các hạt Cd được xử

lý với dung dịch CuSO4, sau đó được nạp vào cột thuỷ tinh Phản ứng khử tiến hành tốt nhất ở pH = 6-8 Hiệu suất khử đạt 88-90% Ion NO2- được xác định nhờ phản ứng tạo màu azô hoá bằng axit sunfanilic

và α- naphtylamin Phức tạo thành có cường độ màu lớn Cực đại hấp thụ ở bước sóng λ= 520 nm với hệ số hấp thụ mol ε= 4.10^4

Nếu 2 ion trong nước có nồng độ lớn quá thì mình có thể pha loãng mẫu ra, 10 lần, 20 lần và thậm chí là X lần, sau khi có kết quả kiểm tra nằm trong dải đo cho phép thì ta tiến hành qui chiếu lại bằng cách nhân kết quả đo lên 10, 20 và X lần Nhưng nhớ là phải có cả sai số phương pháp Tuy nhiên nếu pha loãng quá nhiều lần sẽ dễ bị mắc sai số Có nhiều phương pháp khác nhau để xác định NO2, NO3 trong môi trường nước vì vậy tùy vào điều kiện của thể của mẫu phân tích mà ta lựa chọn phương pháp phù hợp

Ví dụ như phương pháp phân tích thể tích xác định nitrat: Người ta có thể xác định nitrat theo phương pháp này dựa trên phản

ứng khử NO3- về các trạng thái oxi hoá thấp hơn bằng các chất khử thích hợp Sau đó tiến hành phép chuẩn độ (có thể sử dụng chuẩn độ trực tiếp hay chuẩn

độ ngược)

Với phép chuẩn độ ngược thì một lượng chính xác dung dịch chuẩn Fe2+ được cho dư so với lượng cần thiết vào dung dịch mẫu Sau đó lượng dư Fe2+ được chuẩn độ bằng dung dịch Cr2O72+ với chất chỉ thị là ferroin Các phản ứng xảy ra như sau:

NO3- + 3Fe2+ + 4H+ > NO + 3Fe3+ + 2H2O

2Fe2+ + Cr2O72+ + 14H+ > 6Fe3+ + 2Cr3+ + 7H2O

(phản ứng tiến hành trong môi trường CO2)

Nếu phòng thí nghiệm xịn thì có thể dùng máy sắc kí ion (IC=Ion Chromatography) để xác định riêng nồng độ từng ion trong nước Nguyên tắc của phương pháp này là dùng một cột trao đổi anion Pha động để rửa giải thông thường là dung dịch đệm Sodium carbonate+Sodium hydrogencarbonate Nếu nồng độ 2 ion trong nước lớn thì không cần dùng

bộ suppressor (đưa pha động-đệm thành H2O), nếu nồng độ thấp thì phải dùng bộ suppressor để tăng giới hạn phát hiện của máy Đầu dò để phát hiện các ion là đầu dò đo độ dẫn điện Phương pháp này nói chung là có thể phân

tích một lúc nhiều anion (hoặc cation nếu dùng cột trao đổi cation) trong một lần phân tích bằng cách chạy đa chuẩn

2 Phân tích Asen bằng phương pháp AAS (phương pháp phổ hấp thu

2.1 Nguyên tắc của phép đo AAS

Chọn các điều kiện và một loại trang bị phù hợp để chuyển mẫu phân tích từ trạng thái ban đầu thành trạng thái hơi của nguyên tử tự do Đó là quá trình hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu Nhờ đó ta có được đám hơi của các nguyên tử tự do của nguyên tố trong mẫu phân tích Chiếu chùm tia sáng bức xạ đặc trưng của nguyên tố cần phân tích qua đám hơi nguyên tử vừa điều chế ở trên Các nguyên tử của nguyên tố cần xác định trong đám hơi đó sẽ hấp thụ những tia bức xạ nhất định và tạo ra phổ hấp thụ của nó

Tiếp đó, nhờ một hệ thống máy quang phổ thu toàn bộ chùm sáng , phân li 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 hấp thụ nguyên tử

Nguyên tắc tạo hydrua

Asen được khử một cách định lượng về trạng thái khí hydrua AsH3 bằng NaBH4 và khí tạo thành theo dòng khí trơ vào bộ phận nguyên tử hóa của máy AAS

Tính toán kết quả

Dựng đường chuẩn độ cao theo nồng độ chuẩn

Xác định nồng độ mẫu theo đường chuẩn

Nếu mẫu có pha loãng trước khi phân hủy thì phần kết quả đo được nhân với

hệ số pha loãng

2.2 Phân tích As en bằng phương pháp AAS

2.2.1 Nguyên tố Asen

- Asen là nguyên tố hình thành tự nhiên trong vỏ trái đất Có 2 dạng: + Asen nguyên chất là kim loại màu bạc – xám, giòn và bị oxy hoá nhanh trong không khí, nhưng dạng này tồn tại ít trong tự nhiên + Dạng tinh thể màu vàng, khi kết hợp với hydro hay oxy sẽ tạo thành một chất rất độc

- Asen là nguyên tố thường được sử dụng với các kim loại khác tạo hợp kim có khả năng chống ăn mòn kim loại

Các hợp chất của asen được dùng để tạo màu, dùng trong thuốc diệt côn trùng, nước sơn

- Asen được sử dụng rộng rãi trong công ngiệp: luyện kim, sản xuất gốm, thủy tinh và pha lê, thuốc nhuộm, mực in màu, pháo bông, làm chất bán dẫn, linh kiện điện tử bán dẫn; trong nông nghiệp: thuốc trừ

- Asen tồn tại phổ biến trong môi trường xung quanh, và mọi người điều tiếp xúc với một lượng nhỏ của chúng Con đường thâm nhập chủ yếu của asen là vào cơ thể qua con đường thức ăn, nước uống và không khí

- Asen vô cơ là chất độc (thạch tín)

Một lượng lớn asen có thể gây chết người Mức độ nhiễm nhẹ hơn có thể dẫn đến thương tổn hay các hệ thống của cơ thể thường ở tay và chân

Asen tập trung trong gan, thận, hồng cầu, hemoglobin và đặc biệt tập trung trong não, xương, da, phổi và tóc

Các biểu hiện đầu tiên của bệnh nhiễm độc asen là chứng sạm da, dầy biểu bì dẫn đến hoại thư hay ung thư da

2.2.2 Phân tích Asen bằng phương pháp AAS

Các nguyên tử ở trạng thái bình thường thì chúng không hấp thu hay bức xạ năng lượng nhưng khi chúng ở trạng thái tự do dưới dạng những đám hơi nguyên tử thì chúng hấp thu và bức xạ năng lượng Mỗi nguyên tử chỉ hấp thu những bức xạ nhất định tưng ứng với những bức xạ mà chúng có thể phát ra trong quá trình phát xạ của chúng Khi nguyên tử nhận năng lượng chúng chuyển lên mức năng lượng cao hơn gọi là trạng thái kích thích Quá trình đó gọi là quá trình hấp thu năng lượng của nguyên tử tự do ở trạng thái hơi và tạo ra phổ của nguyên tử đó Phổ sinh ra trong quá trình này gọi là phổ hấp thu nguyên tử

Do As và hợp chất của nó có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi thấp nên ta thường chọn hệ thống nguyên tử hóa mẫu bằng phương pháp ngọn lửa đèn khí Ar-H2¬ có nhiệt độ nguyên tử hóa mẫu khoảng 3700 độ C, với độ nhạy cao khoảng 0.5µg/ml, giới hạn phát hiện 0.2µg/ml, khoảng xác định 1-50µg/ml

 Các bước phân tích As bằng phương pháp AAS

a

Chuẩn bị:

• Hệ thống đèn phát ra nguồn sáng hấp thu

• Hệ thống nguyên tử hóa mẫu

• Hệ thống gương lọc sắc

• Bộ đơn sắc

• Bộ phát hiện

• Computer

• Dung dịch mẫu

b Lấy mẫu, bảo quản mẫu và xử lí mẫu

- Lấy mẫu :

Mẫu nước giếng được lấy và được bảo quản trong bình định mức bằng thủy tinh đã được rửa bằng HCl 2M, được đậy kín tránh để mẫu tiếp xúc với ôxy không khí tạo ra kết tủa FeAsO4 và các hợp chất bay hơi, các ion kim loại ảnh hưởng trong suốt quá trình bảo quản và xử lí mẫu khác ảnh hưởng đến kết quả phân tích

- Bảo quản mẫu

Mẫu được bảo quản ngay sau khi lấy mẫu bằng cách axít hóa mẫu phân tích bằng dung dịch HNO3 đậm đặc đến pH<2 mục đích là để hòa tan các hợp chất khó tan của mẫu như As2O3 về dạng tan H3AsO3 hay H3AsO4, thuận tiện trong quá trình bảo quản mẫu Mẫu được bảo quản trong tủ giữ mẫu

- Xử lí mẫu

Do mẫu có chứa những phần tử lơ lững hoặc các hợp chất hữu cơ do đó cần phải được xử lí trước khi phân tích gồm: lọc mẫu, axít hóa bằng HNO3 đến pH<2 rồi đem đo trên phép đo AAS Nếu mẫu có chứa các hợp chất khó tan của kim loại cần phân tích thì ta cần phá mẫu trước khi lọc nhằm đảm bảo kết quả phân tích

c Thiết bị và qui trình phân tích bằng AAS

*

Nguồn phát ra bức xạ đơn sắc

- Chọn hệ thống đèn catot rỗng (HCl) Đèn này được cấu tạo gồm ba phần

chính:

• Thân đèn và cửa sổ

• Các điện cực catot và anot

• Khí trong đèn.Đó là khí trơ He, Ar, N2

Anot được cấu tạo bằng kim loại trơ và bền nhiệt như W hay Pt Catot được chế tạo có dạng hình xylanh hay hình ống rỗng có đường kính từ 3-5 mm Dài 5-6 mm và chính bằng kim loại cần phân tích với độ tinh khiết cao (ít nhất 99.9%) Dây dẫn của catot cũng là kim loại W hay Pt cả hai điện cực được gắn chặt trên bệ đỡ của thân đèn và cực catot phải nằm đúng trục xuyên tâm của đèn Nguồn nuôi là nguồn một chiều có thế 220-240 V

- Nguyên tắc làm việc

Khi đèn làm việc, catot được nung đỏ, giữa catot và anot xảy ra sự phóng điện liên tục Do sự phóng điện đó mà một số phân tử khí bị ion hóa Các ion vừa được sinh ra sẽ tấn công vào catot làm bề mặt catot nóng đỏ và một số nguyên tử kim loại trên bề mặt catot bị hóa hơi và nó trở thành những nguyên tử kim loại tự do Khi đó dưới tác dụng của nhiệt độ trong đèn HCl đang được đốt nóng đỏ, các nguyên tử kim loại này bị kích thích và phát ra phổ phát xạ của nó Đó chính là phổ vạch của chính kim loại làm catot rỗng

Nhưng vì trong điều kiện làm việc đặc biệt của môi trường khí trơ có áp suất thấp, nên phổ phát xạ đó chỉ bao gồm các vạch nhạy của kim loại đó

* Hệ thống nguyên tử hóa mẫu

- Quá trình nguyên tử hóa trong ngọn lửa gồm hai bước kế tiếp nhau

 Bước 1 : là chuyển dung dịch mẫu phân tích thành thể các hạt nhỏ như sương mù trộn đều với khí mang và khí cháy Quá trình này được gọi là quá trình aerosol hóa hay nebulize hóa

 Bước 2 : là dẫn hỗn hợp aerosol cùng hỗn hợp khí đốt vào đèn để nguyên tử hóa Hệ thống này gọi là Nebulizer system, nó gồm hai phần chính:

- Đèn để nguyên tử hóa mẫu

- Buồng aerosol hóa mẫu theo hai loại kỹ thuật:

+ Aerosol hóa mẫu theo kỹ thuật pneumatic-mao dẫn: Kỹ thuật này người ta dung hệ thống Nebulize và khí mang để tạo ra thể sol khí của mẫu phân tích nhờ hiện tượng mao dẫn Trước hết nhờ ống mao dẫn S và dòng khí mang K mà dung dịch mẫu được dẫn vào buồng aerosol hóa Trong buồng này, dung dịch mẫu được đánh tung thành thể bụi nhờ quả bi E và cánh quạt Q, rồi được trộn đều với hỗn hợp khí đốt và được dẫn lên đèn nguyên tử hóa

+ Aerosol hóa mẫu bằng siêu âm: Theo kỹ thuật này, để aerosol hóa mẫu phân tích người ta dung hệ thống siêu âm có tần số 1-4.5MHz Dưới tác dụng của lực siêu âm, mẫu dung dịch được phân tán thành những hạt rất nhỏ và trộn đều với hỗn hợp khí để dẫn lên đèn nguyên tử hóa

d Quy trình phân tích

* Hóa chất

- Dung dịch NaBohydrua (NaBH4): hoà tan 8g NaBH4 trong 20ml NaOH 0.1N pha chế hằng ngày Dung dịch NaI hòa tan 50g NaI trong 100ml nước cất, pha chế hằng ngày, có thể thay bằng KI cùng lượng tương ứng

H2SO4 18N ( ứng với H2SO2 tỉ lệ 1:1) H2SO4 2.5N: rót cẩn thận 35ml H2SO4

vào 400ml nước cất, để nguội, định mức đến 800ml Dung dịch K2S2O8 5%: hòa tan 25g K2S2O8 trong 800ml nước cất đựng trong bình thủy bảo quản trong tủ lạnh, pha chế hàng tuần Acid Nitric HNO3 đậm đặc Acid percloric HClO4 Acid clohidric HCl Khí Ar/N2, Ar/He

- Dung dịch chuẩn As vô cơ:

Dung dịch chuẩn gốc As(III) hòa tan 1.32g As2O3 trong mẫu nước cất

có chứa 4g NaOH Định mức tới 1000ml (1ml chứa 1mg As(III))

Dung dịch chuẩn làm việc As(III): pha loãng 10ml dd chuẩn gốc As(III) tới 1000ml bằng nước cất có pha loãng 5ml HCl đđ (1ml chứa 10mg As(III))

Dung dịch chuẩn As(III) pha loãng 10ml dd chuẩn tới 1000ml bằng nước cất có chứa 2-5ml HNO3đđ (1ml chứa 0.1mg As(III))

- Dung dịch chuẩn As(V):

Dung dịch gốc: Hòa tan 1.534g As2O5 trong mẫu nước cất chứa 4g NaOH pha loãng đến 1000ml(1ml chứa 1mg As(V))

Dung dịch chuẩn làm việc As(V) : pha loãng dd gốc 100 lần (1ml chứa 10mg As(V))

Pha dung dịch chuẩn: pha loãng dung dịch chuẩn làm việc 100 lần (1ml chứa 0.1mg As(V))

- Dung dịch chuẩn As hữu cơ:

Hòa tan 1.842g (CH3)2AsOOH (acid dimethylarsenic) trong nước chứa 4g NaOH pha loãng đến 1000ml (1ml chứa 1mg As) Chú ý kiểm tra độ tinh khiết của acid theo dung dịch As tiêu chuẩn (50-100mg/l) bằng quang phổ hấp thu nguyên tử Dung dịch chuẩn làm việc As hữu cơ: Pha chế như trên (1ml chứa 10mg As) Dung dịch chuẩn As hữu cơ: Pha chế như trên (1ml chứa 0.1mg As)

* Mở máy

Lấp máy theo tài liệu hướng dẫn dùng máy, nối bình phản ứng với sụt khí Điều chỉnh tốc độ dòng khí là 2 l/phút Nếu có ống làm khô nối giữa bình phản ứng và ống nguyên tử hóa mẫu thì dùng CaCl2 thay vì sử dụng CaSO4 vì nó giữ SeH4 lại Trước khi dùng hệ sinh khí hydrua phải xác định thong số máy tối ưu Phun dung dịch chứa Asen vào ngọn lửa để điều chỉnh

vị trí ống nguyên tử hóa sao cho đạt mật độ quang cực đại Phun dung dịch trắng cho đến khi loại hoàn toàn dung dịch lưu lại Xác định tốc độ khí mang, nồng độ và tốc độ nhỏ giọt NaBH4, thể tích dung dịch và tốc độ khuấy

để đạt được tốc độ hydrua hóa cực đại nếu sử dụng dung dịch ống thạch anh cần chọn nhiệt độ tối ưu Việc nhỏ giọt NaBH4 quá nhanh hydrua thoát ra nhanh sẽ làm mất cân bằng hệ Khi tốc độ khí mang quá lớn thì tính hiệu hấp thu sẽ giảm Nên dùng bước sóng 193.7 nm cho Asen

* Xác định đường chuẩn

Lấy 0.00; 1.0; 2.0; 10; 15; 20 dung dịch làm việc Asen (III) pha loãng đến 100ml bằng dung dịch HNO3 (2-5ml HNO3 đặc trong 1l nước cất) ta thu dãy chuẩn với nồng độ từ 0, 1, 2, 5, 10, 15, 20mg Asen (III)/l pha dung dịch chuẩn hằng ngày

* Chuẩn bị mẫu và chuẩn Asen

- Để xác định lại độ tái hiện hoàn toàn của Asen làm theo hai bước trên Trong bình Berzelin dung tích 200ml, trong 50ml mẫu chuẩn thêm vào 7ml mẫu chuẩn bằng Asen(III) (dung dịch chuẩn được pha chế bằng cách lấy 10ml dung dịch làm việc vào cốc có mỏ và pha chế thành 50ml thêm vào

đó 7ml H2SO4 18N và 5ml HNO3 đặc Sau đó đem cô cho đến khi xuất hiện khí SO3 Duy trì điều kiện oxy hóa bằng cách thêm vào liên tục HNO3 vào

để tránh cho dung dịch không bị đậm màu Khi phân hủy hoàn toàn dung dịch sẽ có màu sáng Để nguội thêm vào đó 25ml nước cất và 1 ml HClO4 và lại cô tiếp để loại hết khí oxit nitơ (cho đến khi bốc khói SO3) Chú ý cẩn thận khi tiếp xúc với HClO4 Kiểm tra hiệu quả quá trình phân hủy bằng cách cho thêm 5ml dung dịch chuẩn Asen hữu cơ vào 50ml mẫu và xác định tốc độ tái hiện Xử lí các mẫu chuẩn theo toàn bộ quy trình để đánh giá độ tái hiện tổng số và độ tái hiện trung bình của Asen trong axit clohydric phải trên 80% Một cách khác có thể dùng bình kjeldahl để phân hủy trong việc xác định độ tái hiện tổng số của Asen bằng cách nâng cao hiệu suất mẫu Sau lần cô cuối cùng pha loãng mẫu bằng nước cất tới 50ml

- Chuẩn bị mẫu và dãy chuẩn để đo tổng Asen

Lấy 50ml dung dịch mẫu hoặc chuẩn cho vào bình Berzelin 200ml thêm vào 1ml H2SO4 2.5N và 5ml dung dịch K2S2O8¬ 5% cô nhẹ trên bếp cách cát khi còn khoảng 30-40 phút không được để dung dịch cô cạn Cách khác có thể đun dung dịch trong autoclave ở 120oC trong 1 giời Sau khi phân hủy xong pha loãng tới 50ml để đo asen kiểm tra hiệu suất phân hủy bằng cách xác định độ tái hiện của acid cacolodic nếu thấp thì phải phân hủy lại và dung lượng K2S2O8 gấp đôi

*

Xác định Asen bằng NaBH 4

Thêm 5ml HCl đặc vào 50ml chuẩn hoặc mẫu đã bị phân hủy trong bình Berzelin 200ml và khuấy đều thêm tiếp 5ml NaI và khuấy tiếp ít nhất 30 phút, lấy ống sục khí, phểu nhỏ giọt và ống thoát khí vào bình berzelin, mở máy ghi cho đến khi đường nền ổn định Trong lúc sục khí để đuổi tất cả kim loại ra khỏi bình phản ứng, thêm 0.5ml NaBH4 vào bình Tín hiệu tăng nhanh và rồi giảm Khi tín hiệu trở lại nền, lấy bình ra, rửa ống phun bằng nước rồi tiếp tục làm với chuẩn để kiểm tra tín hiệu, kiểm tra các chất gây ảnh hưởng hóa học làm giảm tín hiệu của Asen bằng cách xử lí mẫu đã phân hủy vởi dung dịch Asen (III) có nồng độ 10mg/l Độ tái hiện trung bình phải đạt 90%

* Tính toán kết quả

Dựng đường chuẩn độ cao của pic theo nồng độ chuẩn Xác định nồng

độ mẫu theo đường chuẩn nếu mẫu có pha loãng trước khi phân hủy thì phần kết quả đo được nhân với hệ số pha loãng