Tài liệu Phương pháp phân tích các chỉ tiêu môi trường

T hS. Đ IN H H Ả I H À [- -■^nễ^ẨmêMẩỉĩẫ®^#&%ềWĨ£Ỉ Phương pháp phân tích CÁC CHỈ TIÊU MÔI TRƯỜNG •‘ ífằ NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT T h S . Đ IN H H Ả I HÀ Phương pháp phân tích CÁC CHỈ TIÊU MÔI TRƯỜNG N H À X U Ấ T B Ả N K H O A H Ọ C VÀ KỸ T H U Ậ T LỜI NÓI ĐẦU Kinh tế càng phát triển kéo theo ô nhiễm moi trường ngày càng nhiều. Nếu như chúng ta không có những chính sách phát triển bền vững - phát triển kinh tế đi đôi với bảo vệ môi trường thì th ế hệ tương lai cua chúng ta sẽ phải gánh chịu những hậu quả nặng nề như thiên tai, lũ lụt do thay đổi khí hậu toàn cầu, các căn bệnh ung thư ngày càng nhiều do các chất thải độc hại được thải ra môi trường một cách tùy tiện, sự suy giảm tầng ozon... Hiện nay có rất nhiều nhà máy, khu cóng nghiệp hàng ngày thải ra môi trường hàng trăm khôi nước thải gây ô nhiễm môi trường. Nhằm đánh giá mức độ ô nhiễm do các hoạt dộng này gây ra vù từ đó đưa ra hướng xử lý thích hợp, sách Phương Pháp Phân Tích Các Chí Tiêu Môi Trường cung cấp các kiến thức cho kỹ sư mỏi trường khả năng đánh giá chất lưựng nguồn nước, khí vù đất tại khu vực đó. N goài ra sách Phương Pháp Phân Tích Các Chí Tiêu M ôi Trường còn có th ế sứ dụng cho môn học Thực Hành Hỏa Kỹ Thuật M ôi Trường, Thực Hành M ôi Trường Đất, Thực hành ô Nhiễm Không Khí dùng cho sinh viên thuộc các chuyên ngành như Công nghệ Môi trường, Quản lý Môi trường, Khoa học M ôi trường trong các trường Cao đẳng vù Đại học trên cả nước cũng như cho các cán bộ thuộc cúc trung tăm nghiên cứu, phân tích chất lưựng nước vù đất, các phòng thí nghiệm của các khu công nghiệp... Đ ể hoàn thành cuốn sách này tác giả đã tham khảo nhiều nguồn tài liệu khúc nhau, xin được chân thành gửi lời cám ơn đến các nhà khoa học, đặc biệt là các thầy cô thuộc Khoa Công nghệ Và Quản lý Môi trường - trường Đại học Dân Lập Vãn Lang Tp. Hồ Chí Minh đã phiên dịch tài liệu nước ngoài "Standard Methods ” đ ể cưng cấp các nguồn dữ liệu quý giá giúp tác giả có thể hoàn rlĩănh cuốn sách này. Rất mong nhận được ý kiến đỏng góp đ ể lần xuất bản sau được hoàn thiện hơrt. Mọi ỷ kiến đống góp xin gửi về địa chí Chi nhánh Nhà xuất bản Khoa học và K ỹ thuật: 28 Đồng Khởi, Q1, Tp. Hồ Chí Minh. Đt : (08) 38225062 38296628. Hoặc địa chỉ email của tác giã : haihak6@ yahoo.com. Xin chân thành cảm ơn. Tác giả 3 MỤC LỤC Chương 1: Mở đầu 6 Bài 1: Lấy mẫu và bảo quản mẫu 6 Bài 2: Dung dịch chuẩn 19 Chương 2: Phân tích các thông sô" vật lý Bài 3: pH, EC, độ mặn 26 26 ’ Bài 4: Chất rắn 27 B ài 5: Độ đục 29 Bài 6 : Độ màu 31 Chương 3: Phân tích các thông sô" th ể tích 33 Bài 7: Chloride 33 Bài 8 : Độ acid 36 B ài 9: Độ kiềm 39 B ài 10: Độ cứng tổng cộng Bài 11: Độ cứng canxi 42 47 Bài 12: Nitơ hữu cơ 49 Chương 4: Phân tích các thông sô" trắc quang 52 Bài 13: Sắt 52 Bài 14: Nitơ - nitrit (N -N 0 2‘) 57 B ài 15: Nitơ-nitrat ( N 0 3*) Bài 16: Nitơ - amoniac (NH3) 60 63 Bài 17: Phosphat 68 Bài' 18: S u lfàt..................................................................................................................71 Bài 19: Mangan 73 Bài 20: Chlorine - C l 2 76 Chương 5: Phân tích các thông sô"sinh hoá B ài 21: Oxy hòa tan (Dissolved oxygen demand - DO) 78 78 Bài 22: Nhu cầu oxy sinh học (biological oxygen demand - BOD) 81 B ài 23: Nhu cầu oxy hóa học (chemical oxygen demand - COD) 84 Chương 6 : Phương pháp phân tích các chỉ tiêu m ôi trường đất Bài 24: Chuẩn bị mẫu đất 88 4 88 Bài 25: Xác định tỉ trọng, dung trọng và độ xốp đất 90 Bài 26: Phân tích hạt kết ãắi 93 Bài 27: Độ chua của đất 97 lỉài 28: Phân tích tổng scí muôi tan, clo 101 Bài 29: Phân tích mùn trong đất 103 Bài 30: Phân tích N tổng sô"trong đất 108 Bài 31: Phân tích Si, R 2O 3 trong đất 111 Bài 32: Phân tích Al3+ trao đổi trong đất 118 Bài 33: Xác định các dạng tồn tại của sắt trong đất 120 Bài 34: Xác định pH đất (Trích TCVN 5979 - 1995 - ISO 10390:1993) Bài 35: Phân tích CaO, MgO trong đất 123 127 Chương 7: Phương pháp phân tích các chỉ tiêu môi trường khí 132 Bài 36: Xác định acid HC1 - phương pháp hấp thụ bằng nước cất 132 Bài 37: Xác định C 0 2- phương pháp hấp thụ C 0 2 bằng Ba(OH ) 2 134 Bài 38: Xác định sulfur dioxyt (SO 2) phương pháp hấp thụ bằng tetraclomecurat 136 Bài 39: Xác định dioxyt nitơ (N 0 2) phương pháp hấp thụ bằng NaOH 0,5N 140 Bài 40: Xác định amoniac phương pháp hấp ihụ bằng H 2SO 4 0,01N14 Bài 41: Xác định hydrosulíua phương pháp hấp thụ bằng cadimi sullầt 143 145 5 Chương 1 MỞ ĐẦU BÀI 1: LÂ Y MẪU VÀ BẢO QUẢN MAU 1.1. Giới thiệu chung ứ n g với nhu cầu của xã hội đòi hỏi chất lượng phân tích ngày càng cao và yêu cầu của khách hàng cũng ngày càng đa dạng, kiểm soát và bảo đảm chất lượng của phép phân tích QAQC (Quanlity Assurance and Quanlity Control) là nhằm mục đích tăng độ tin cậy của khách hàng đốì với kết quả của phép phân tích. Chính vì vậy mà yêu cầu về chất lượng của phép phân tích đặt ra hàng đầu. Mục đích của phép phân tích là tìm ra một cách định tính và định lượng thành phần của các chất có trong môi trường. Trong phân tích môi trường có một sô" mục tiêu cụ thể: • Để chuẩn bị một ngân hàng dữ liệu nhằm xác định xu hưcmg sự biến đổi một họp chất nào đó troneĩ môi trường. • Xác định chính xác thành phần và nồng độ của một mẫu môi trường nào đó nhàm đưa ra giải pháp công nghệ và xử lý nó. Với đà phát triển này, thì hàng loạt các máy móc, thiết bị phân tích kỹ thuật cao ra đòi góp phần tăng độ chính xác của một phép phân tích. Tuy nhiên, sai số của một phép phân tích có thể đến từ nhiều nguồn: lấy mẫu, vận chuyển và bảo quản mẫu, chọn lựa phương pháp phân tích, bản thân người phân tích, không hiệu chinh thiết bị họp lý, xử lý và báo cáo số liệu không chính xác. 1.2. Láy mẫu, vận chuyển và bảo quản mẫu Chất lượng của một phép phân tích phụ thuộc rất nhiều vào quy trình lấy mẫu. Theo thông kê có tới 6 6 % sai sô" của kết quả phân tích đến từ việc lấy mẫu sai. Độ tin cậy của một kết quả phân tích phụ thuộc vào chiến lược lấy mẫu, k ế hoạch lấy mẫu và sơ đồ lấy mẫu. Trong phân tích môi trường người ta phân biệt làm 4 loại mẫu, ứng với mỗi loại sẽ có sơ đồ lấy mẫu tương ứng: s Loại 1: mẫu đại diện (Representaíive) là loại mẩu mang nhiều tính chất. Đ ể bảo đảm được tính đại diện của mẫu môi trường người ta phải xem xét trạng thái tồn tại của mẫu ngoài môi trường đó. Ví dụ: mẫu đồng thể (nước sông, hồ...) 6 Mẫu dị thể (chất thải rắn). Mẫu tĩnh (nước trong ao, hồ). Mẫu động (nước sông, biển). s Loại 2: mẫu chọn lựa (Selective) hoàn toàn phục thuộc vào k ế hoạch lây mẫu. Chúng ta chọn lựa mẫu sao cho thỏa mãn một tính chất thích hợp nào đó mà chúng ta dự định và bỏ qua các chi tiết khác. s Loại 3: mẫu bất kỳ (Random) khi tính đại diện không đảm bảo, lấy bất kỳ nhưng phải xem xét cho thỏa mãn một sô" tiêu chí, nhu cầu đề ra. s Loại 4: mẫu hỗn hợp (Composite) hay còn gọi là mẫu trộn (mixed). 1.2.1. Thời gian lứu mẫu Là khoảng thời gian cực đại từ thời điểm lấy mẫu đến lúc đo mẫu mà mẫu không có sự biến đổi đáng kể nào, về mặt nguyên tắc nên đo mẫu càng nhanh càng tốt sau khi lấy mẫu. Trong quá trình vận chuyển và lưu mẫu mọi thao tác đều phải được ghi nhận. 1.2.2. M ột sô"tính chất của mẫu phân tích Khi xây dựng chiến lược lấy mẫu phải xem xét đến các yếu tô" như: độ bay hơi, tính nhạy với ánh sáng mặt trời, tính bền vững về nhiệt, tính phản ứng hóa học... Mọi nguyên nhân về sự nhiễm bẩn của mẫu phải được xem xét cẩn thận: sự hòa tan của một sô" châ^t, của vật chứa mẫu vào mẫu, thành phần môi trường bên ngoài (bụi, hóa chất khác), đặc biệt chất dễ bay hơi. Một vài nguyên nhân gây biến đổi mẫu: - Vi khuẩn, tảo và các vi sinh vật khác có thể tiêu thụ một sô" thành phần có trong mẫu, chúng cũng có thể làm biến đổi bản chất của các thành phần và tạo ra các thành phần mới. Hoạt động sinh học này gây ảnh hưởng đến hàm lượng oxy hòa tan, cacbondioxyt, các hợp chất nitơ, photpho và đôi khi có cả silic. - Một sô" hợp chất có thể bị oxy hoá bởi oxy hoà tan trong mẫu hoặc oxy không khí (thí dụ như các hợp chất hữu cơ, sắt II, sunfua). - Một sô" chất kết tủa ví dụ như CaCU3, Al(OH)3, M g (P 0 4)2, hoặc bay hơi ví dụ như oxy, thuỷ ngân, cyanua - pH, độ dẫn điện, hàm lượng cacbondioxyt có thể bị thay đổi do hấp thụ cacbondioxyt từ không khí. - Các kim loại hoà tan hoặc ở dạng keo, một sô" hợp chất hữu cơ có thể bị hấp phụ không thuận nghịch lên bình chứa hoặc lên các hạt rắn có trong mẫu. 7 - Các sản phẩm polyme hoá có bị depolyme hoá, ngược lại các hợp chất đơn giản có thể bị polyme hoá. 1.2.3. Đ iều kiện lưu trữ mẫu, mục đích phân tích Mỗi một mẫu cần phải có c h ế độ bảo quản thích hợp, mục đích là tạo ra môi trường lưu trữ tốt làm hạn c h ế tối thiểu phản ứng hóa học, sinh học đôi với mẫu. Hầu hết các phản ứng enzyme xảy ra ở nhiệt độ 20-30°C (nhiệt độ phòng) nên lưu trữ mẫu trong điều kiện lạnh và trong không gian tôi. Đôi khi để lưu mẫu phải thêm vào những chất trợ như chất chông oxy hóa, chông keo 1.2.4. T iền xử lý mẫu Mục đích của phép phân tích là mẫu ta đo phải phù hợp với tính đại diện của mẫu môi trường. Trước khi đo thường có một sô" công đoạn phải thao tác với mẫu để phù hợp với thiết bị đo và phương pháp đo như: lắc, pha loãng, cô đặc, nghiền, cắt, lọc, trộn... 1.2.5. Lựa chọn phương pháp phân tích Khi cân nhắc lựa chọn phương pháp phân tích thường dựa vào một sô" gợi ý sau đây: Những phương pháp phân tích mà ta tự xây dựng nên. Những phương pháp được công bcí trong những tạp chí khoa học chuyên ngành. Những phương pháp do các tổ chức thương m ại cung cấp. Những phương pháp được cang cấp trong sách chuyên ngành. Những phương pháp do các tổ chức tiêu chuẩn hóa công bô" (ISO, TCVN...). 1.2.6. Các yếu tô" cẩn cân nhắc khi lựa chọn phương pháp phân tích 8 > Giới hạn phát hiện (LOD - Limit of detection): là lượng nhỏ nhất của một chất cần phân tích trong mẫu môi trường mà phương pháp, thiết bị nào đó có thể phát hiện được. > Độ nhạy của phương pháp phân tích (Sensitivity): biểu thị sự thay đổi kí hiệu của phương pháp hay của máy khi có sự thay đổi về nồng độ của chất cần phân tích trong mẫu. Độ nhạy của phương pháp phân tích chính là độ dốc của đường chuẩn. > Độ chính xác của phương pháp phân tích (A ccuracy): là độ lệch giữa giá trị đo được với giá trị được xác định thông qua đường chuẩn. Biểu thị sai số của từng phép đo trong từng phương pháp hay thiết bị sử dụng. y=ax+ a = tg a s a *--------------------------------► H ình 1.1. Phương trình đường chuẩn. > Độ đ ú n g (P recision): là độ lệch giữa giá trị đo được với giá trị thực của mẫu > Độ lặp lại (R eproducibility): là giá trị tuyệt đôi của độ lệch chuẩn của một phép đo trong cùng điều kiện đo. Lập lại thí nghiệm nhiều lần để tin tưởng hơn. 1.2.7. Các yếu tô" m ôi trường phòng thí nghiệm cần cân nhắc - Ánh sáng m ặt trời, nhiệt độ, bụi, độ rung động, các trường điện từ... - Phương cách thiết k ế phòng thí nghiệm: độ thông thoáng, độ ẩm... - Phương cách định vị thiết bị đo: việc bô" trí các thiết bị, hóa chất... - Phương cách lựa chọn các dụng cụ: • Đốì với thiết bị phải được kiểm tra xem vận hành có tối không, phải hiệu chỉnh thiết bị thường xuyên, bảo trì, kiểm tra tính sạch. • Đốì với hóa chất phải kiểm tra chất lượng hóa chất đó, điều kiện bảo quản hóa chất. • Đổì với các vật dụng khác: kiểm tra độ sạch các vật dụng trước khi đo. 1.2.8. Phương thức bảo quản mẫu Phương thức bảo quản mẫu nước theo chỉ tiêu phân tích được trình bày trong bảng sau: 9 Bảng 1.1. Phương thức bảo quản mẫu nước Chí tiêu phân tích Phương thức bảo quản Độ cứng (hardness) Không cần thiết Calci (Ca2+) Không cần thiết Cloride (CO Không cần thiết Floride (F') Đô dẫn điên Không cần thiết 4°c 24 giờ Màu 4°c COD 1 28 giờ 4°c H2S DO trữ tốì đa 4°c Độ acid, độ kiềm Mùi Sulphate Thời gian tồn 6 giờ 4"C; pH< 8 48 giờ 28 ngày Thêm 2mg/l zinc acetate 7 ngày (0,7mlH2S 0 4+ lm lN aN 3)/300ml; 1 0 - 2 0 °c 8 giờ 2ml/l H 2S 0 4 Dầu và mỡ 2 ml/l H 2S 0 4, 4°c 7 ngày 28 ngày Carbon hữu cơ 2ml/l HC1, pH<2 7 ngày NaOH, pH>12, 4°c, trong tối 24 giờ Phenol H2S04, pH<2, 4°c 24 giờ n -n h 3 N -N 0 2; N -N 0 3 Phosphate Fe, Mn H 2S 0 4, pH< 2 , 4°c H 2S 0 4, pH< 2 , 4°c 7 ngày Phân tích ngay 4°c 48 giờ 6 tháng Cyanide HNƠ 3, pH< 2 , 4°c ị Cách bảo quản và thời gian lưu trữ trên chỉ có tính hướng dẫn, việc phân tích thực hiện càng sớm càng tốt. 1.3. Đo mẫu 1.3.1. Các nguyên nhân dẫn đến k ết quả sai khi đo mẫu - Năng lực của người phân tích, phương pháp chuẩn độ, tiến hành thí nghiệm không theo trình tự, sự nhiễm bẩn trong lúc đo, các nhiễu: là sự hiện diện của các thành phần khác trong mẫu môi trường mà có thể gây ra ảnh hưởng đến mục đích đo của chất cần phân tích, về mặt nguyên tắc thì nhiễu cần được loại bỏ ở công đoạn tiền xử lý mẫu. - Sai sô" do các phản ứng oxy hóa. -S a i sô" thiết bị: thiết bị hoạt động không đúng như mong đợi, không hiệu chỉnh, mẫu đo không phù hợp với thiết bị đó. 10 - Sai sô do lây mẫu. - Sự mất mát và phân hủy trong lúc đo: bị phân hủy do phản ứng oxy hóa, nhiệt độ, bay hơi, bị hấp thụ trên bề mặt của các vật dụng phân tích. 1.3.2. K iểm tra tính thích hợp của phương pháp phân tích Lập lại thí nghiệm nhằm mục đích giúp cho người phân tích tin tưởng phương pháp đang thực hiện là đúng, điều này có nghĩa là người phân tích đang tiến hành đúng trình tự phân tích. Thí nghiệm thu hồi (Recovery test): khi bản chất của chất cần phân tích trong môi trường ta đã xác định rõ ta sẽ làm thí nghiệm thu hồi bằng cách thêm vào mẫu đó một lượng xác định đúng chất cần thiết đó, ta sẽ đo mẫu trước và sau khi thêm, sự khác biệt giữa hai lần đo sẽ cho ta thông tin về sự hiện diện của mẫu khi so sánh với đường chuẩn. Đo mẫu không (blank): là mẫu không chứa chất cần phân tích. Dùng những phương pháp khác nhau để đo. Thay đổi đầu dò. > Yêu cầu về năng lực: một sô" yêu cầu chung với người phân tích là tính cẩn thận, ngăn nắp, gọn gàng, kỷ luật cao. Trước khi phân tích: phải hiểu rõ mục đích của phương pháp đo, lịch sử của mẫu, định ra kê hoạch cho phép đo. Trong lúc phán tích: quan sát cẩn thận, ghi nhận các hiện tượng xảy ra trong quá trình đo, các sự cô" bất thường xảy ra. Kiểm tra lại các điều kiện phòng thí nghiệm, lau chùi thiết bị, ghi nhận số liệu trong quá trình đo. Sau khi phân tích: quản lý dữ liệu đo được một cách phù hợp, chỉ ra ngay những sai sô", mẫu nên được lưu giữ một thời gian cho đến khi kết quả được tin tưởng, sắp xếp lại khu vực thí nghiệm để sẩn sàng cho phép đo tiếp theo. 1.4. Các phương pháp ứng dụng trong phân tích mối trường 1.4.1. Phương pháp phân tích bằng quang hóa ❖ Bức xạ điện từ Là một dạng năng lượng được truyền đi trong không gian với vận tốc lứn. Hai lý thuyết nói lên đặc tính của bức xạ điện từ: - Bước sóng: bức xạ điện từ là một dạng dao động sóng hình sin được đặc trưng bởi một scí đại lượng ví dụ: nhịp độ, bước sóng, tần sô" sóng, chu kì, biên độ dao động. - Bước thẳng: xem bức xạ điện từ là chùm của những hạt mang năng lượng được gọi là proton E=h.v, mỗi hạt có mang một năng lượng h: 11 hằng sô" Frăng, v: tần sô" dao động sóng. Năng lượng của proton E tỉ lệ thuận với tần sô" dao động của sóng. Phân loại bức xạ: Bức xạ tia f : bước sóng X = 0,005-1,5Ả Bức xạ tia X: bước sóng X = 0,1-1005Ả Bức xạ hấp thu tia cực tím nằm trong vùng chân không: bước sóng X = 10-180nm thu được do sự kích hoạt những electron ngoài cùng, ứ n g đụng trong phân tích môi trường đốì với mẫu khí. Bức xạ trong vùng cực tím: X = 180-780nm, ánh sáng nhìn thấy được. Bức xạ hồng ngoại IR: X = 0,78-300nm được phát ra do những dao động rung và quay của phân tử. Phân tích cấu trúc của những phân tử phức tạp nhất là những phân tử hữu cơ. Những vùng còn lại: là vi sóng, sóng radio. Khi bức xạ điện từ phát ra truyền qua môi trường vật chất sẽ có một sô" hiện tượng xảy ra: > > > > > > Hiện tượng hấp thu bức xạ: mẫu môi trường sẽ hấp thu một phần năng lượng bức xạ điện từ. Kết quả là năng lưựng bức xạ sẽ bị yếu đi, làm căn cứ phân tích định tính và định lượng mẫu mỏi trường. Hiện tượng truyền suốt: làm mẫu o để điều chỉnh máy phân tích Hiện tượng tán xạ: khi bức xạ điện từ truyền đến bề mặt của mộl vật thể rắn, bức xạ điện từ bị đổi phương truyền ra những hướng khác nhau. Hiện tượng nhiễu xạ (diffraction): khi cho bức xạ điện từ qua một khe hẹp, bức xạ điện từ sẽ được phân tán ra thành nhiều chùm tia khác nhau với những bước sóng nhất định mà có phạm vi hẹp hơn. Hiện tượng khúc xạ (reữaction): cho bức xạ điện từ qua hai môi trường khác nhau, bức xạ điện từ sẽ bị thay đổi phương truyền theo một quy luật nhất định. Hiện tượng phản xạ: đổi phương truyền ánh sáng. Cấu tạo thiết bị quang học - spectrophotometer 1 3 4 ------------------ 5 1 Hình 1.2. Sơ đồ cấu tạo của Spectrophotometer 12 1. Nguồn phát ra bức xạ điện từ (Radiation Source): là dạng cụ phát ra bức xạ tro ne một vùng bước sóng mà ta mong; muôn. 2. Dụng cụ chứa mẫu (Sample Compartment) hay còn gọi là Curvet có nhiều hình dạng như tròn, vuông. 'ỉ . . ? ;;**■;'$Ệ: ,4'ỉỹ'SkỂỈỆệĩmì ,Ị1 Hình 1.3. Cuvet đựng mẫu 3. Thiết bị trộn và tách sóng (Wave length selection): có chức năng thu hẹp bức xạ điện từ, tăng cường cường độ của bức xạ tại vị trí thu hẹp (khuếch đại bức xạ lên vì sau khi qua 2 sẽ bị yếu đi). Trong thực t ế máy quang phổ 3 cổ thể là bộ lọc (fifter) hoặc máy đơn sắc (monochromater) Bộ lọc Hình 1.4. Thiết bị trộn và tách sóng. 4. Detector: ghi nhận tín hiệu và chuyển hóa tín hiệu năng lượng ánh sáng thành tín hiệu điện (tê bào quang điện). Hình 1.5. T ế bào quang điện. 13 5. Thiết bị điều tuyến tín hiệu (Data/Signal pressesing): hiển thị dữ liệu dưới dạng sô" hóa. ❖ Phổ hấp thu phân tử (Motercular uv-vis) Vùng ứng dụng 180-3000nm. Một sô"khái niệm chung liên quan đến quang phổ hấp thu: khi các phân tử của mẫu môi trường nhận được một phần năng lượng bức xạ nó sẽ chuyển lên trạng thái kích thích và tồn tại ở trạng thái này rất ngắn (10 ' 7 - 10‘8s). Đ ể giải thích hiện tượng hấp thu này người ta dung một sô" khái niệm: - Độ truyền suốt (Transmittance) %T = P/Po X 100%. - Độ hấp thu (Absorbance) A = -logT = -log p/p 0 = log Po/P. - Độ hấp thu phân tử (Molar Absorptivity) và định luật B eer A=abc A: độ hấp thu của vật chất. b: chiều dày Curvet. c: nồng độ vật chất trong môi trường nào đó. a: hằng sô"phụ thuộc tính chất môi trường. Định luật.Ẹ eer đúng với mẫu loãng CíO.OlM (do những phân tử của môi trường đậm đặc có khoảng cách gần nhau, dễ va chạm dẫn tới không còn cơ hội hấp thu năng lượng bức xạ). ứ n g dụng cụ thể: chuẩn độ quang học, Sợi quang (gồm hai sợi dây truyền bức xạ điện từ). Hình 1.6. Một vài loại máy Spectrophotometer. 1.4.2. Phương pháp phân tích sắc ký Đại cương về phương pháp sắc ký ❖ Đặc điểm của phương pháp sắc ký Phương pháp sắc ký do nhà bác học người Nga Mikhail Tsvvett (18721919) phát minh vào năm 1903. ô n g đã dùng cột chứa oxyt nhôm tách các pigment của lá cây xanh thành các vùng màu riêng biệt và ông đã đặt tên cho phương pháp này là sắc ký (chromatography). 14 R usslan B oĩan isĩ M ikhaiỊ ĩ s iv e r r (1872*1919) thíĩtghiệmsắc kỷ cản Tsw*tt Hình 1.7. Thí nghiệm của nhà bác học Mikhail Tswelt Sắc ký là một phương pháp dùng để phân tách những thành phần gần giông nhau trong một mẫu môi trường phức hợp. Trong kỹ thuật sắc ký, mẫu được hòa tan vào trong pha động (mobile sample) có thể là một dòng khí, chất lỏng hay là một dòng chất lỏng siêu tới hạn (nhiệt độ, áp suất cô" định). Pha động này được đẩy qua một pha tĩnh mà không trộn lẫn pha động. Pha tĩnh có thể cô" định trên một cột hoặc trên bề mặt của chất rắn. Thành phần của hai pha được chọn lựa sao cho các thành phần khác nhau của mẫu môi trường sẽ phân bô" lẫn nhau giữa pha động và pha tĩnh. Các thành phần được lưu giữ mạnh hơn bởi pha tĩnh sẽ chuyển động một cách chậm chạp hổn so với dòng pha động, và ngược lại những thành phần đưực lưu giữ bởi pha tĩnh yếu hớn sẽ chuyển động nhanh hơn. Kết quả là những thành phần khác nhau sẽ được tách rời ra. Bảng 1.2. Phân loại các dạng sắc ký. Loại P hư ơng p h áp P ha tĩnh T r ạ n g thái cân bằng Sắc ký lỏng (pha động là chất lỏng) Sắc ký lỏng-lỏng (sắc ký phân bô") Những chất lỏng được hấp thụ trên bề mặt chất rắn Sự phân bô" giữa các chất lỏng không trộn lẫn nhau Sắc ký lỏng-liên kết pha Những phần tử hữu cơ liên kết trên bề mặt chất rắn Sự phân bô" giữa chất lỏng và bề mặt liên kết pha đó 15 Sắc ký lỏng-rắn Những (sắc ký hấp thu) hoăc chất rắn Nhựa trao đổi ion Sắc ký trao đổi ion Sắc ký khí (pha động là chất khí) hạt nhồi Hấp phụ Sắc ký ngoại cỡ Những hạt nhồi có khoét lỗ Sắc ký khí-lỏng Những chất lỏng được hấp thụ trên bề măt chất rắn Sự phân bô" giữa khí và lỏng Sắc ký liên kết Những phân tử hữu cơ đính trên bề mặt chất rắn Chất rắn Sự phân boT giừa khí và bề mặt liôn kết pha đó Hấp phụ vật lý đơn thuần Sự phân bcí giữa dòng tới hạn và hề mặt liên kết pha pha Sắc ký khí-rắn Những phân tử hữu cơ đính trên bề măt chất rắn Sắc ký dòng tới hạn Bộ tiêm mẫu Bộ trộn Bơm cao áp Đầu dò i i •s — -------I " s , m _____________ >«| Dung môi Hình 1.8. Mô hình máy sắc ký lỏng. 16 C ác đại lượng cơ bản trong sắc ký Một quá trình sắc ký được đặc trưng bởi rất nhiều các đại lượng đặc trưng thủy động học của cột sắc ký, các đại lượng đặc trưng cho sự lưu giữ, đại lượng đặc trưng cho sự phân tách và một sô» đại lượng khác. Trong phần này chúng tôi chỉ đề cập tới một sô" đại lượng đặc trưng quan trọng của một quá trình sắc ký. Hình 1.9. Sắc ký đồ. Trong đó: - tRi, tR2: Thời gian lưu của câu tử thứ nhất và thứ 2. - tM: Thời gian lưu chết. - w 1, w2: Bề rộng đáy của mũi sắc ký. 1.4.3. Phương pháp phân tích khôi lượng Phương pháp phân tích khôi lượng là một phương pháp của phân tích định lượng dựa trên sự đo chính xác khôi lưựng của chất cần xác định, hoặc của thành phần nó được tách ra ở trạng thái tinh khiết hóa học, hoặc dưới hựp chất thích hợp (thường các thành phần này không đổi và biết chính xác). Trong phương pháp này người ta thường cân một lượng mẫu chính xác (được gọi là lượng cân) cần phân tích, rồi hòa tan nó thành dung dịch. Nếu đối tượng là dung dịch thì lấy một thể tích chính xác của nó. Sau đó kết tủa hựp phần cần xác định dưới dạng một hợp chất rất ít tan, đôi khi dưới dạng đơn chất. Lọc rửa, sây vả nung để chuyển thành một hợp chất bền có thành phần hóa học xác định (tức là có công thức hóa học ở một dạng nhất định) được gọi là dạng cân. Cuối cùng đem cân kết tủa đã được sấy hoặc nung đó trên cân phân tích, dựa vào khôi lượng của nó để tính hàm lượng châ t cần xác định. I OA ỉ MỌC QUOC GIA H/À Ị Ị p ư n g Ì TAM THÔNG TIN THƯ Vlb.N i M 0 j0 ơ ữ _ m L Ì 17 Ví dụ: - Đ ể xác định hàm lượng của sắt có trong mẫu quặng, người ta cân chính xác một lượng mẫu quặng và chuyển hoàn toàn sắt về dạng Fe3+, kết tủa Fe3+ dưới dạng F e (0 H ) 3.xH 20 . Lọc, rửa và nung kết này đến khôi lượng không đổi để chuyển kết tủa hoàn toàn về dạng Fe 2C>3. Cuối cùng cân lượng kết tủa sau khi nung này và tính ra hàm lượng của sắt. - Xác định độ ẩm của mẫu đất, xác định chất rắn lơ lửng trong mẫu nước... 1.4.4. Phương pháp chuẩn độ th ể tích Phương pháp này thường dùng để xác định nồng độ của một chất bằng cách dùng một chất khác đã biết nồng độ kết hợp với chỉ thị thích hợp dựa trên lượng thể tích dung dịch phản ứng tại điểm đổi màu của chỉ thị. Áp dụng định luật bảo toàn đương lượng: Các chất phản ứng với nhau theo các lượng tỷ lệ với đương lượng của mỗi chất trong phản ứng đó. C n i X V j = Cn2 X V 2 Trong đó: C n: nồng độ đương lượng. V: thể tích dung dịch. Tùy thuộc vào loại phản ứng dùng làm cơ sở cho mỗi phương pháp mà phương pháp thể tích được đật tên theo đó. Các phương pháp phân tích thể tích chia làm 4 loại dựa vào phản ứng mà chúng dùng để xác định điểm tương đương: Phương pháp kết tủa: có phản ứng tạo thành hợp chất ít tan (kết tủa). Phương pháp trung hòa : có phản ứng acid - baz Phương pháp oxy hóa khử: có phản ứng giữa các chất khử và chất oxy hoá. Phương pháp Complecxon: có phản ứng tạo phức giữa ion kim loại với complexon. 18 BÀI 2: DUNG DỊCH CHUAN 1. Đ ại Cương Trong quá trình phân tích nước và nước thải thường gặp nhiều dung dịch chuẩn mà nồng độ ghi dưới hình thức sô" hữu tỉ thay vì sô" thập phân hay số nguyên. Sự việc trên được giải thích bởi hai lý do: Kết quả báo cáo: Các số liệu được yêu cầu ghi th ế nào để người thiết k ế (thường là những người không chuyên môn trong ngành hóa) dễ hình dung. Do đó đơn vị thường sử dụng là mg/1, đơn vị này được dùng phổ cập. Tính toán: Đốì với người làm công tác xét nghiệm, công thức càng dễ dàng, dễ nhớ càng giảm thời gian tính toán, càng tránh được những nhầm lẫn có thể xảy ra. T ừ hai lý do trên, việc chọn nồng độ dung dịch chuẩn được tiến hành như một thông lệ sao cho: 1 lít dung dịch định phân luôn luôn tương ứng với lg chất cần định lượng. Điều này cũng có nghĩa lm l dung dịch chuẩn sẽ tương ứng với lm g chất cần định lượng. Rõ ràng việc pha c h ế dung dịch chuẩn không phụ thuộc vào bản châ't chuẩn mà tùy thuộc vào khôi lượng đương lượng (KLĐL) chất cần chuẩn. Thí dụ phản ứng Định lượng amonias Định lương nitơ dạng amonia Định lượng độ kiềm dạng CaCƠ3 Định lượng cacbon dioxyt Định lượng độ acid dạng C aC 0 3 Định lượng clorua Định lượng NaCl Định lượng oxy hóa KLĐL Chất cần chuẩn KLĐLNH3= 17 Dung dịch chuẩn Acid Nồng độ dung dich chuẩn N/17 KLĐLn-nh3= 14 Acid N/14 KLĐLCaco3=50 Acid N/50 KLĐLc 0 2=44 Kiềm N/44 KLĐLcaco3=50 Kiềm N/50 KLĐLC|= 35,45 A gN 0 3 KLĐLN.C1=58,4 AgN0 3 Khử N/35,45 N/58,44 N /8 KLĐL 02 = 8 Sau cùng công thức tính toán hàm lượng chất cần định lượng trong 1 lít mẫu cũng trở nên đơn giản và dễ nhớ. 19 ■s , , m ỉ d u n g dịch c h u ẩ n Nồng đô/hàm lương chât khảo sát (mg/1) = -------------- -------------m ỉ m âu (1) Một vài trường hợp như định phân oxy hòa tan với thể tích m ẫu ấn định trước, nồng độ dung dịch chuẩn sẽ được hiệu chỉnh với mục đích tối giản việc tính toán. Lúc đó lm l dung dịch chuẩn khi dùng sẽ tương ứng với lmg/1 oxy. 2. Chuẩn bị dung dịch chuẩn Không phải xác định lại nồng độ dung dịch chuẩn sau khi pha chế, hóa chất chuẩn phải có độ tinh khiết cao và việc cân các loại hóa chất cần cẩn thận, đúng theo khôi lượng tính toán. Sau khi rót vào các bình định mức có thể tích riêng biệt, việc đong đo pha c h ế đòi hỏi mức độ chính xác cao. Thực tế nhiều trường hơp không có sô" liệu về độ tinh khiết hoặc khó đo lường chính xác vì hóa chất dễ bay hơi, hút ẩm, biến châ"t nhanh trong không khí. Dung dịch sau khi pha xong phải định lượng lại với một đung dịch chuẩn cơ sở mà nồng độ đã biết rõ và đảm bảo. 3. Định chuẩn một dung dịch với m ột dung dịch chuẩn cơ sở 3.1 Pha c h ế và xác định lại nồng độ dung dịch NaOH N/50 Dung dịch NaOH thường được sử dụng trong phép định phân độ acid dưới dạng C a C 0 3 có phân tử lượng M=100, đương lượng gam = 50. Do đó nồng độ yêu cầu là N/50. Tuy nhiên NaOH thương mại thường ở dạng viên khó cân chính xác, độ hút ẩm cao, dễ biến chất do C 0 2 trong không khí. Vì th ế dung dịch NaOH N/50 thường được pha loãng từ dung dịch chuẩn có Iiồng độ NaOH IN để có độ chính xác cao. Dung dịch cơ sở là H 2SO 4 N/10 3.1.1. T hiết bị và dụng cụ Cân kỹ thuật sai scí ±0.01g. Becher 500ml. Bình định mức 1000 ml. Buret. Erlen 125ml. 3.1.2. Hóa chất NaOH tinh khiết dạng viên. Dung dịch chuẩn cơ 20 sở H 2SO 4 N/10.