1

LÊ ðỨC (Chủ biên)

MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MÔI TRƯỜNG

NHÀ XUẤT BẢN ðẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

2

LỜI NÓI ðẦU

Ngày nay, các vấn ñề môi trường ñã trở thành mối quan tâm của nhân loại. Nhiều nơi trên thế giới và ở Việt Nam môi trường ñang bị suy thoái, tài nguyên thiên nhiên trở nên cạn kiệt, hệ sinh thái mất cân bằng, chất lượng cuộc sống suy giảm. Một trong những nguyên nhân chính là do hành vi, nhận thức và thái ñộ của con người ñối với môi trường sống của mình còn hạn chế. Trong luật bảo vệ môi trường (1993) ñã chỉ rõ: "Nhà nước có trách nhiệm tổ chức thực hiện việc giáo dục, ñào tạo, nghiên cứu khoa học và công nghệ, phổ biến kiến thức khoa học và pháp luật bảo vệ môi trường". Giáo dục môi trường ở tất cả các cấp học ñã trở nên vô cùng quan trọng trong thời kỳ công nghiệp hoá và hiện ñại hoá ñất nước.

Nghị ñịnh số 1363/Qð-TTg ngày 17 tháng 10 năm 2001 ñã phê duyệt ñề án và nêu ra 5 hoạt ñộng cụ thể, trong ñó hoạt ñộng số 1 là xây dựng chương trình, giáo trình, bài giảng về giáo dục bảo vệ môi trường cho các bậc học, cấp học và các trình ñộ ñào tạo. Thực hiện chủ trương trên, Bộ Giáo dục và ðào tạo ñã tổ chức biên soạn cuốn sách "Khoa học môi trường" xuất bản năm 2001, làm tài liệu học tập và tham khảo cho các trường ðại học và Cao ñẳng.

ðể thực hiện tiếp việc xây dựng chương trình, giáo trình chúng tôi tiến hành biên soạn cuốn sách "Một số phương pháp phân tích môi trường".

Nội dung cuốn sách gồm 2 phần chính:

Phần 1: Giới thiệu cơ sở của một số phương pháp phân tích phổ biến trên thế giới dùng trong phân tích môi trường, ñó là các phương pháp trắc quang, quang phổ hấp thụ nguyên tử, các phương pháp phân tích ñiện hóa, phương pháp cực phổ, các phương pháp sắc kí, khối phổ, kết hợp sắc kí khí - khối phổ ñể phân tích các chất ô nhiễm thường gặp trong môi trường như kim loại nặng, hóa chất bảo vệ thực vật... ðồng thời cũng giới thiệu một số phương pháp dùng ñể ñánh giá kết quả của các số liệu phân tích.

Phần 2: Giới thiệu phương pháp lấy mẫu, bảo quản mẫu và phương pháp phân tích một số chỉ tiêu quan trọng trong các thành phần môi trường: ñất, nước, không khí. Mỗi phương pháp phân tích ñược trình bày theo trình tự: nguyên lí phương pháp, trình tự phân tích, tính toán ñánh giá kết quả phân tích.

Cuốn sách: "Một số phương pháp phân tích môi trường" là một giáo trình trong chương trình ñào tạo cử nhân khoa học môi trường, trang bị cho học sinh, sinh viên những kiến thức thực hành về phân tích môi trường. Sách còn là tài liệu tham khảo cho những nhà quản lí môi trường, những kỹ thuật viên phân tích trong các phòng thí nghiệm hóa học, sinh học và môi trường.

Do những hạn chế về thời gian biên soạn, chắc chắn cuốn sách không tránh khỏi sai sót, chúng tôi mong nhận ñược ý kiến ñóng góp của người ñọc ñể cuốn sách ñược hoàn thiện.

Hà Nội, ngày 22/12/2002

Tập thể tác giả

3

Phần 1. Những vấn ñề chung

Chương 1. Mở ñầu

1.1. Môi trường

Môi trường bao gồm tất cả các yếu tố lí học, hoá học, các chất hữu cơ và vô cơ của khí quyển, thạch quyển và ñại dương. Môi trường sống là tập hợp các ñiều kiện xung quanh có ảnh hưởng ñến cơ thể sống, ñặc biệt là con người. Môi trường quyết ñịnh chất lượng và sự tồn tại của cuộc sống.

Một số nhà nghiên cứu ñã sử dụng thuật ngữ vi môi trường ñể chỉ rõ môi trường chức năng (functional environment), nghĩa là môi trường riêng biệt của các cá thể ñặc biệt. Theo nghĩa ñen, thuật ngữ này liên quan ñến môi trường nhỏ, nghĩa là môi trường trực tiếp ảnh hưởng của cá thể.

1.2. Phân tích môi trường

Phân tích môi trường có thể ñược ñịnh nghĩa là sự ñánh giá môi trường tự nhiên và những suy thoái do con người cũng như do các nguyên nhân khác gây ra. Vì vậy, phân tích môi trường bao gồm các quan trắc về các yếu tố môi trường nói chung. ðây là vấn ñề rất quan trọng vì qua ñó chúng ta có thể biết ñược yếu tố nào cần ñược quan trắc và biện pháp nào cần ñược áp dụng ñể quản lý, giúp chúng ta có thể tránh khỏi các thảm hoạ sinh thái có thể xẩy ra.

Trong những năm gần ñây, nghiên cứu sinh thái không chỉ là sự tiếp cận về chất lượng mà còn cả số lượng. ðể có thể hiểu biết và ñánh giá về một hệ sinh thái ñòi hỏi phải quan trắc ñầy ñủ sự biến ñộng theo không gian và thời gian của cả các yếu tố môi trường, cả về số lượng và chất lượng có liên quan ñến cấu trúc và chức năng của hệ. ðó là các tính chất lý, hoá và sinh học của hệ sinh thái.

1.3. Sự lựa chọn phương pháp ñể phân tích môi trường

Việc lựa chọn phương pháp và các quy trình trong phân tích môi trường ñòi hỏi phải có nhiều kinh nghiệm. Các phương pháp lựa chọn phải trả lời ñược những câu hỏi sau:

Sử dụng phương pháp phân tích nào?

Lượng mẫu có ñủ cho nhiều phòng thí nghiệm không?

Yếu tố nào hạn chế sự phát hiện, ñộ chính xác của các phương pháp phân tích ñược sử dụng.

Người sẽ tiến hành phân tích?

4

Những vấn ñề gì cần chú ý ñể tránh làm bẩn mẫu trong quá trình bảo quản mẫu.

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

1.4. Giá trị của các số liệu trong phân tích môi trường

Một việc khó khăn với các nhà nghiên cứu là phải xác ñịnh ñược những chỉ tiêu phân tích nào là cần thiết. Việc xác ñịnh thành phần các nguyên tố là ñủ hay còn cần phải phân tích các phân tử hay các nhóm chức của các chất?

Ví dụ: Khi phân tích hàm lượng tổng số các nguyên tố như Hg, Pb, P,...có thể sẽ không ñánh giá hết ñược tiềm năng gây hại cho sức khỏe con người. ðiều này cũng tương tự như việc ñánh giá mối quan hệ giữa hàm lượng tổng số của các chất ở trong ñất với khả năng sử dụng của cây trồng.

Chỉ có một phần trong hàm lượng tổng số là dễ tiêu ñối với thực vật. Do vậy vấn ñề khó khăn là sử dụng phương pháp hoá học nào ñể phản ánh ñúng các hoạt ñộng của hệ rễ thực vật. Trên thực tế kết quả này thường rất hạn chế . Ví dụ với cây rau diếp (lettuce), hàm lượng chì trong cây có quan hệ với lượng chì chiết rút từ ñất bằng HNO3 1M. Trong khi với cây yến mạch (Oat), hàm lượng chì trong cây lại tương quan với chì chiết rút bằng HNO3 0.01M hoặc NH4CH3COO 1M. Việc phun dung dịch CuSO4 lên lá hoặc ñất làm tăng hàm lượng ñồng trong cây lúa mì, nhưng hàm lượng ñồng trong cây lại không có tương quan với lượng ñồng dễ tiêu ñược xác ñịnh trong dung dịch chiết rút NH4CH3COO 1M, axit mạnh hoặc chất tạo phức (EDTA).

Mặc dù có những hạn chế nhất ñịnh, các quan trắc các yếu tố riêng biệt vẫn cần ñược tiến hành như xác ñịnh các vùng bị ô nhiễm ñể ghi nhận các thay ñổi về mức ñộ các chất ô nhiễm và các dẫn liệu của các yếu tố bên ngoài như gió, mưa, ñịa hình,...

ðể nghiên cứu xu hướng biến ñổi, có thể xác ñịnh một chuỗi quan trắc. Ví dụ: số liệu ở bảng 1.1 ñưa ra mức ñộ ô nhiễm ở 4 loại chỉ thị ñã ñược phân tích.

Bảng 1.1. ảnh hưởng của hướng từ nguồn ñối với sự tích luỹ của ion kim loại trong mẫu

Mẫu ðiểm lấy mẫu

Cỏ ðịa y Rêu ðất

Pb (ppm)

A 10 130 120 -

B 49 1528 1200 -

C 86 - - 270

D 150 - - 230

Zn (ppm)

A 102 675 1213 -

B 146 1135 4870 -

C 350 - - 450

D 270 - - 416

5

Cd (ppm)

A 8 68 93 -

B 13 83 137 -

C 9 - - 7.1

D 9 - - 7.7

Số liệu bảng 1.1 cho thấy mức ñộ ô nhiễm thay ñổi theo hướng ñịa lý (hướng A,B,C,D). Tuy nhiên nếu việc lựa chọn có ñịnh hướng sẽ cho thấy mức ñộ ô nhiễm so với các vùng khác.

Những quan trắc tương tự cũng có thể ñược áp dụng với môi trường nước. Nhưng việc phân tích ñơn thuần các mẫu nước lọc sẽ hạn chế ý nghĩa của các số liệu phân tích. Trên thực tế các chất lơ lửng và các chất lắng ñọng ở các hồ nước có thể giải phóng ra các chất ñộc hại trong các chuỗi thức ăn hoặc ñời sống của các sinh vật thủy sinh.

Cặn lơ lửng thường là những hỗn hợp phức tạp bao gồm các chất hữu cơ, vô cơ và phức hữu cơ - vô cơ. Giữa chúng lại có sự tương tác khác nhau như các keo sét trong nước mặn có thể hấp phụ trên 2,5% axit mùn. Sự có mặt của các axit humic sẽ làm tăng khả năng hấp phụ của các chất lơ lửng. Sự thay ñổi của các chất ñiện ly sẽ làm thay ñổi quá trình này (trong nước ngọt lượng axit humic ñược hấp phụ là nhỏ hơn 0,4%). Do vậy tại nơi tiếp giáp giữa vùng nước ngọt và nước mặn (vùng cửa sông) sẽ có sự biến ñổi ñột ngột về sự phân bố của các kim loại nặng giữa pha rắn và lỏng.

Vì các sinh vật biển có xu hướng tích luỹ các kim loại nặng khi sống trong môi trường ô nhiễm nên chúng có thể ñược coi như các vật chỉ thị. Các số liệu này có thể so sánh với kết quả ñiều tra trung bình trong ñộng vật giáp xác (tôm, cua...). ðối với thực vật, hàm lượng ion kim loại của một sinh vật có biến ñộng lớn (hàng chục lần) so với vị trí tương ñối của nó ñối với nguồn ô nhiễm, nhưng hàm lượng này là tương ñối ổn ñịnh trong vùng lấy mẫu và có sự khác nhau lớn so với các giá trị ñã ñược xác ñịnh.

Tại một nơi xác ñịnh sự dao ñộng hàm lượng của một chất có thể là ± 20%. Vì vậy sự khác nhau ở những nơi khác nhau phải lớn hơn ñể số liệu thống kê có ý nghĩa.

1.5. Ảnh hưởng của cân bằng

Các số liệu trong bảng 1.1 ñược xem xét trên cơ sở các cân bằng như dưới ñây.

Vì rêu là vật bám trên cây nên sự tích luỹ các ion kim loại có thể trước hết là từ bụi và khí xung quanh. Vì vậy, hàm lượng của một số chất có thể bị giảm nước mưa rửa trôi. Các cây mọc trên ñất có khả năng sử dụng các chất rất khác nhau và phụ thuộc vào các tính chất của ñất. Khả năng hấp thu các chất của cây cũng bị giảm sút khi có sự cạnh tranh giữa các chất hấp thu. Nếu hệ thống không quá phức tạp, quá trình hấp thu các chất có thể ñược biểu diễn bằng phương trình toán học như sau:

(x/m) a = k1.Ca.Sv/ ( 1+k1Ca + k2Cb + k3Cc + ...)

Trong ñó: (x/m)a : Là số lượng mà loài a hút thu trên 1g chất

6

Sv : Là giá trị cực ñại (hoặc bão hoà), Ca, Cb,Cc là hàm lượng của các loài cạnh tranh a,b,c ; k1, k2 , k3 là hệ số hút thu tương ứng. Trong trường hợp k2Cb hoặc k3 Cc >> k1 Ca thì (x/m)a sẽ giảm rất mạnh.

Các quá trình trong hệ thống cân bằng ñược trình bầy ở hình 1.1 .

Vai trò quan trọng trong hệ thống này là hoạt ñộng của vi khuẩn, như ở trường hợp ô nhiễm thuỷ ngân (Hg). Sự chuyển hoá giữa hợp phần thuỷ ngân vô cơ thành ion metyl thuỷ ngân (II) (CH3 Hg +) xảy ra rất phổ biến ở tầng mặt của các chất trầm tích hoặc các phần hữu cơ lơ lửng.

Tốc ñộ chuyển hoá phụ thuộc vào quá trình thủy ngân xâm nhập vào chất hữu cơ. Dạng liên kết hữu cơ - kim loại sẽ nhanh chóng ñược cá và thực vật sử dụng, chúng có xu hướng tích luỹ trong cơ thể sinh vật. Sự tích luỹ Hg trong hệ thống hồ hoặc vùng cửa sông như sau: Chất trầm tích chứa 90 - 99% thủy ngân (khoảng 10% là CH3Hg+), pha nước từ 1 ñến 10% (hầu hết ở dạng liên kết vô cơ với các chất lơ lửng), sinh vật <0,1% (chủ yếu là CH3Hg+). ðặc biệt các loài giáp xác trong sinh quyển biển (như trai, sò, tôm cua...) có khả năng tích luỹ thủy ngân rất cao.

Một số vi khuẩn có khả năng chống chịu với nồng ñộ Hg cao và có thể chuyển hoá các hợp chất hữu cơ - thủy ngân thành dạng thủy ngân tự do không hoà tan. Hơn nữa trong ñiều kiện kỵ khí, các vi khuẩn khử sunphat cũng có khả năng sinh ra

Bụi Sol khí Chất khí

ION CHẤT VÔ CƠ ðƠN GIẢN

CHẤT HỮU CƠ HÒA TAN +

Phức hệ hòa tan

CHẤT RẮN VI SINH VẬT

SINH VẬT

Nước trao ñổi

O2

Hấp phụ trao ñổi ion

Chất lắng ñọng

Hoạt ñộng của vi sinh vật

Trầm tích sinh học hoặc vật thể vô cơ

Hình 1.1. Sơ ñồ hệ thống cân bằng và tác ñộng qua lại giữa chúng trong hệ nước tự nhiên

CO2

KHÍ QUYỂN

O2

7

hydrosunphua ñể cố ñịnh Hg2+ dưới dạng sunphua, vi khuẩn không chuyển hoá hợp chất này thành metyl thuỷ ngân.

Xem xét các cân bằng phức tạp trong hầu hết các hệ thống tự nhiên, ñiều cần lưu ý không chỉ là việc lựa chọn các chỉ thị mà còn là các khó khăn trong việc lấy, vận chuyển và bảo quản mẫu. Về lý thuyết, ñiều cần thiết là làm ngừng trệ tất cả các quá trình hoá học cũng như sinh học bằng các phương pháp thích hợp. Các quá trình biến ñổi này sẽ ñược giảm tới mức tối thiểu ở nhiệt ñộ thấp hoặc sử dụng những phòng thí nghiệm di ñộng. Tuy nhiên tồn tại một vấn ñề là: hệ thống cân bằng trong tự nhiên luôn luôn bị xáo trộn. Ví dụ như lấy một mẫu nước ở phía trên trầm tích (hoặc tách các chất lơ lửng) sẽ làm cho một hợp phần hoặc các chất hoà tan thiết lập một cân bằng mới. Tuy nhiên, về mặt tổng số vẫn không thay ñổi và sẽ là các dẫn liệu cho sự ô nhiễm.

Vấn ñề tiếp theo cần chú ý ñể ñánh giá mức ñộ ô nhiễm là phải lựa chọn các phương pháp phân tích có ñộ chính xác thích hợp và cần ñược tiến hành trong thời gian nhất ñịnh.

8

Chương 2. ðộ chính xác và ñộ tin cậy của phép phân tích

2.1. Bảo ñảm và kiểm soát chất lượng trong phân tích môi trường

Bảo ñảm và kiểm soát chất lượng ñòi hỏi tất cả các phòng thí nghiệm phải tuân thủ theo các hướng dẫn ñã ñược ñưa ra ñể ñảm bảo kết quả phân tích có ñộ tin cậy cao. Bảo ñảm chất lượng thông qua hàng loạt các nguyên lý và sự giám sát chặt chẽ ñể ñộ chính xác của kết quả phân tích có ñộ tin cậy và tính pháp lý cao. Vấn ñề bảo ñảm chất lượng bao gồm cả việc lấy mẫu và bảo quản mẫu của các phòng thí nghiệm và trách nhiệm cũng như kỹ năng của các cá nhân phân tích và người chịu trách nhiệm. Với ý nghĩa rộng hơn thì cả kế hoạch cũng ñược bao gồm trong việc kiểm soát chất lượng.

Kiểm soát chất lượng phòng thí nghiệm bao gồm: các tài liệu và phương pháp tiêu chuẩn, các phép thử, chuẩn bị các ñường chuẩn và kiểm tra thường xuyên các thuốc thử, máy móc, xác ñịnh ñộ chính xác và ñộ tin cậy của phép phân tích, chuẩn bị sơ ñồ kiểm tra.

Chuẩn bị ñường chuẩn:

Các ñường chuẩn ñược xây dựng trên cơ sở các phép ño màu hoặc sắc kí khí ở các nồng ñộ khác nhau và ñược chuẩn bị hàng ngày trước khi phân tích mẫu. Nếu kết quả ño có sai số ± 15% thì cần phải xây dựng lại ñường chuẩn.

2.2. Sai số và ñộ chính xác

Sai số ñược thể hiện qua kết quả phân tích của các lần lặp lại. Nếu một mẫu ñược phân tích lặp lại nhiều lần trong cùng một ñiều kiện thì kết quả cũng sẽ khác nhau do sai số thí nghiệm hoặc do thao tác. Các kết quả này sẽ phân bố một cách ngẫu nhiên xung quanh một giá trị trung bình là giá trị trung bình cộng của các phép ño. Khi các kết quả ño phân bố như dạng hình quả chuông ñược gọi là ñường cong phân bố chuẩn hoặc ñường Gauss (Gaussian Curve) như hình 2.1 (trong nhiều mẫu môi trường bị nhiễm bẩn thì kết quả sẽ không theo sự phân bố chuẩn).

Hình 2.1. ðường cong phân bố chuẩn

Giá trị trung bình ( x ) ñược tính bằng n

x∑ ( x: các giá trị ño, n: số lần ño).

9

ðộ lệch chuẩn (S) sẽ xác ñịnh chiều rộng của ñồ thị phân bố và ñược tính như sau:

S = ( )

1

2

−

−∑n

xx

Trong trường hợp hàm phân bố chuẩn thì 68,27% diện tích nằm trong khoảng x ± 1S; 95,45% nằm trong khoảng x ± 2S, và 99,70% nằm trong khoảng x ± 3S. Giá trị 3S xung quanh giá trị trung bình là giới hạn trên và dưới trong ñồ thị kiểm tra. Tất cả các giá trị nằm ngoài x ± 3S ñược xem là không bình thường. ðiều này chứng tỏ rằng có vấn ñề nào ñó trong quá trình phân tích cần phải ñược xem xét ngay.

ðộ lệch chuẩn cũng có thể ñược tính theo công thức như sau:

S =

( )

1

2

2

−

−∑ ∑

nn

xx

Trong ñó : :2∑ x Tổng bình phương của các giá trị ño

:∑ x Tổng các giá trị ño

n : Số phép ño

Mặc dù sai số hoặc kết quả phân tích lặp lại có thể ñược biểu diễn dưới dạng của ñộ lệch chuẩn nhưng ñộ lớn giá trị phân tích có thể làm thay ñổi ñáng kể ñộ lệch chuẩn lên các giá trị tương ứng. Có thể minh hoạ ñiều này qua 2 ví dụ sau ñây:

Ví dụ 1: Hàm lượng tổng số hyñrocacbon dầu mỏ - TPH (total petroleum hydrocarbon, TPH) trong mẫu bị nhiễm bẩn với 6 lần phân tích là 5,3 - 4,9 - 5,1 - 5,5 - 4,7 và 5,0 mg/L. Xác ñịnh ñộ lệch chuẩn như sau:

x x2

5,30

0,5

7,4

5,5

1,5

9,4

3,5

45,155

00,25

09,22

25,30

01,25

01,24

09,28

∑ = 5,30x 451552 ,x =∑

( ) 259302

,x =∑ n =6

26,01

10

S = l/mg,

,,

29016

6

2593045155

=−

−

Ví dụ 2: Nếu kết quả phân tích TPH trong mẫu có giá trị lớn gấp 10 lần nghĩa là 53 - 49 - 51 - 55 - 47 và 50 mg/l thì ñộ lệch chuẩn sẽ là :

x = 5

6

9302515545 −

= 2,86 mg/l

Nếu giá trị ño ñược lớn hơn, ví dụ như 530 - 490 - 510- 550 - 470 và 500 mg/l thì S = 28,6 mg/l. Như vậy ñộ lệch chuẩn khi biến ñổi theo ñộ lớn các giá trị ño ñược là không có ý nghĩa trừ khi ñộ lớn của giá trị phân tích ñược xác ñịnh trước.

Nói một cách khác, sai số phân tích sẽ luôn có giá trị khi liên quan với giá trị của mẫu ño. Một cách biểu thị khác là ñộ lệch chuẩn tương ñối (RSD - Relative Standard Deviation) hoặc hệ số biến thiên (Coefficient of Variance - CV). ðây là tỷ số giữa ñộ lệch chuẩn và giá trị trung bình ñại số:

RSD = %100.x

S

Trong ví dụ 1 và 2 ở trên, RSD sẽ là :

%708,5100.08,5

29,0=

%708,5100.8,50

86,2=

Như vậy, RSD ở hai ví dụ này là bằng nhau trong khi S có sự khác nhau rõ rệt (0,29 và 2,8 mg/l).

Một cách khác biểu thị sai số là sai số chuẩn của giá trị trung bình (M), ñây là tỷ số giữa S và căn bậc hai của số lần ño (n).

M = n

S

Trong phân tích môi trường, thông thường việc lặp lại nhiều lần là khó thực hiện ñược. Vì vậy sai số của phép phân tích ñược tính toán thông qua ñộ khác nhau phần trăm tương ñối (Relative percent difference - RPD). Tỷ số này ñược xác ñịnh thông qua sự phân tích lặp lại hai lần mẫu trong một ñiều kiện xác ñịnh. ðó là tỷ lệ phần trăm giữa hiệu số của kết quả giữa hai lần phân tích với giá trị trung bình cộng của chúng.

RPD = ( ) ( )%x

aa

aahoÆcaa100

221

1221

+−−

Trong ñó: a1 và a2 là giá trị của hai lần phân tích một mẫu

11

Ví dụ 3: Hàm lượng Cl- trong hai lần phân tích một mẫu là 9,7 và 11,1 mg/l. Sai số sẽ ñược xác ñịnh như sau:

RPD = ( )

513100

2

79111

79111,%x

,,

,,=

+−

%

ðộ chính xác của giá trị phân tích là mức ñộ chính xác của nó so với hàm lượng thực tế có trong mẫu. ðộ chính xác ñược ñánh giá qua việc cho thêm vào mẫu một lượng nhất ñịnh dung dịch chuẩn có nồng ñộ ñã biết. Dựa trên phần trăm nồng ñộ cho thêm ñược phát hiện ñể ñiều chỉnh ñộ chính xác cho kết quả phân tích. Nhìn chung trong phân tích mẫu môi trường, không yêu cầu các phép tính ñiều chỉnh ñộ sai số của kết quả phân tích. Tuy nhiên trong những phép phân tích ñặc biệt nào ñó, việc ñiều chỉnh ñộ sai số có thể ñược ñặt ra. Khi phân tích một số chất hữu cơ trong nước thải, U.S.EPA (The United States Environment Protection Agency) ñã ñưa ra bốn vùng cho lượng phần trăm ñược xác ñịnh. Nếu giá trị của bất kì một phép phân tích nào ñó nằm ngoài các vùng này thì các chỉ số QC cho phép phân tích ñó sẽ không ñược ñáp ứng.

Một ma trận lượng bổ sung phát hiện ñược có thể ñược xác ñịnh bằng hai cách: Phương pháp xác ñịnh phần trăm thu hồi từ lượng tiêu chuẩn thêm vào chẳng hạn như phương pháp của U.S. EPA (1) và phương pháp tính phần trăm thu hồi giữa mẫu cần ño và dung dịch chuẩn (2). Lượng tìm thấy ñược tính toán bởi hai phương pháp sẽ cho các giá trị khác nhau.

Cách xác ñịnh 1 (U.S. EPA):

% lượng tìm ñược = ( )

100xk

xx ui −

Trong ñó : Xi : Giá trị ño ñược cho mẫu ñã hoà trộn

Xu : Giá trị ño ñược cho mẫu không hoà trộn ở thể tích sau khi

hòa trộn.

K : Giá trị ñã biết nồng ñộ của mẫu chuẩn trong mẫu hoà trộn

Cách xác ñịnh 2:

Nồng ñộ lý thuyết có thể tính như sau:

( )( )

( )( )su

ss

su

uu

VV

xVC

VV

xVC

++

+

Trong ñó : Cu : Nồng ñộ ño ñược của mẫu

Cs : Nồng ñộ của dung dịch tiêu chuẩn

Vu, Vs : Là thể tích của mẫu và dung dịch tiêu chuẩn

Phần trăm lượng thu hồi theo các cách tính trên ñây có thể ñược minh họa trong các ví dụ sau ñây:

Nồng ñộ ño ñược % lượng tìm ñược

Nồng ñộ lý thuyết = x 100

12

Ví dụ 4: Một mẫu nước thải ñược xác ñịnh có nồng ñộ xianua là 3,8 mg/l. Sau khi cho thêm 10ml dung dịch tiêu chuẩn có nồng ñộ xianua là 50 mg/l vào 100ml mẫu nước thải trên. Nồng ñộ của xianua trong hỗn hợp thu ñược là 8,1 mg/l.

- Tính phần trăm lượng thu hồi từ dung dịch này (sau khi pha lẫn) theo cách tính 1.

+ Dựa theo nồng ñộ xác ñịnh:

Xi = 8,10 mg/l

Xu = (3,8 mg/l . 100 ml)/ 110 ml = 3,454 mg/l

K = (50 mg/l . 10 ml)/ 110 ml = 4,545 mg/l

% lượng thu hồi = (8,10 mg/l - 3,454 mg/l).100%/ 4,545 mg/l = 102,2%

+ Dựa trên khối lượng (phương pháp chuyển ñổi) khối lượng tổng số của ion CN - trong 110 ml mẫu và dung dịch tiêu chuẩn là:

8,1 mg/l x 0,110l = 0,891mg

Khối lượng ion CN- tính theo phần trăm trong 100ml mẫu cần xác ñịnh ban ñầu:

3,8 mg/l x 0,100 L = 0,38 mg

Khối lượng ion CN - trong 10 ml dung dịch tiêu chuẩn là:

50 mg/l x 0,010 L = 0,500 mg

- Tính phần trăm lượng tìm ñược như trong cách xác ñịnh 2.

+ Tính toán dựa trên nồng ñộ:

Nồng ñộ CN- ño ñược sau khi ñược bổ sung thêm bằng dung dịch chuẩn là 8,1mg/L. Nồng ñộ thực tế của CN- sau khi pha trộn sẽ có giá trị bằng nồng ñộ CN- ban ñầu trong mẫu + nồng ñộ CN- trong lượng dung dịch tiêu chuẩn bổ sung thêm. Hay:

(3,8 mg/l . 100 ml + 50 mg/l . 10 ml)/ 110 ml = 8,00 mg/l

% lượng tìm ñược = (8,10 mg/l . 100)/ 8,00 mg/l = 101,2%

+ Tính toán dựa trên khối lượng (phương pháp chuyển ñổi):

Khối lượng xianua ño ñược trong tổng số 110 ml dung dịch (100 ml mẫu + 10 ml dung dịch chuẩn bổ sung thêm) sẽ là:

8,1mg/l x 0,110l = 0,891 mg

Khối lượng thực tế của xianua trong 110 ml dung dịch này là:

(3,8mg/L x 0,100L) + (50mg/L x 0,01L) = 0,880 mg

% lượng tìm ñược = %,x,

,2101100

8800

8910=

Ví dụ 5: Một mẫu ño ñược 11,7 mg/l. Nếu bổ sung thêm 5 ml dung dịch chuẩn có nồng ñộ 100 mg/l vào 50 ml dung dịch này sẽ ñược dung dịch có nồng ñộ ño ñược là 18,8 mg/l.

Tính lượng bổ sung tìm thấy ñược như trong cách tính 1 và 2 (tính trên cơ sở nồng ñộ).

Cách xác ñịnh 1:

Xi = 18,8 mg/l

13

Xu = (11,7 mg/l . 50 ml)/ 55 ml = 10,64 mg/l

K = (100 mg/l . 5 ml)/ 55 ml = 9,09 mg/l

% lượng tìm ñược = (18,80 mg/l - 10,64 mg/l).100/ 9,09 mg/l = 89,8%

Cách xác ñịnh 2:

Nồng ñộ ño ñược =18,8 mg/l

Nồng ñộ thực = (11,7 mg/l . 50 ml + 100 mg/l . 5 ml)/ 55 ml = 19,7 mg/l

% tìm ñược = 18,8 mg/l . 100%/ 19,7 mg/l = 95,3%

Khi lượng tìm thấy là nhỏ hơn 100% theo US. EPA (cách tính 1) sẽ cho giá trị thấp hơn khi tính theo cách thứ 2 (ví dụ 5). Tuy nhiên nếu lượng tìm lại ñược mà lớn hơn 100% sẽ cho giá trị ngược lại (ví dụ 4).

ðối với việc phân tích các mẫu ñất và chất thải rắn thì không cần phải ñiều chỉnh như ñối với mẫu nước. Vì ñất và chất thải rắn phải dùng một chất lỏng ñể chiết rút, như ở ví dụ 6 dưới ñây.

Ví dụ 6: Một mẫu ñất ñược chiết rút ñể xác ñịnh hydrocacbon dầu mỏ (PHC) bằng phương pháp ño phổ hồng ngoại. Hàm lượng PHC trong mẫu xác ñịnh ñược là 285 mg/ kg. Thêm 2 ml dung dịch chuẩn PHC có nồng ñộ 1000 mg/l vào 40 gam mẫu. Nồng ñộ PHC mẫu này ño ñược là 326 mg/kg. Xác ñịnh ñộ tin cậy của phép phân tích theo phần trăm lượng tìm ñược từ lượng bổ sung của dung dịch chuẩn.

Khối lượng của PHC trong mẫu ñã thêm dung dịch chuẩn là:

40 g x mg,g

mg0413

1000

326=

Khối lượng của PHC trong mẫu trước khi bổ sung dung dịch tiêu chuẩn chứa PHC là:

40 g x mg,g

mg4011

1000

285=

Lượng bổ sung = 2ml x mg,ml

mg002

1000

1000=

% tìm ñược = %,xmg,

mg,mg,896100

4011

0020413=

−

Như vậy, khối lượng mẫu ñã ñược bổ sung bằng dung dịch PHC chuẩn là 40 g chứ không phải 43 g (thêm 2 ml dung dịch chuẩn có tỷ trọng khoảng 1,5 g/ml) theo tính toán ở trên. Thực tế là 2 ml dung môi thêm vào sẽ trộn lẫn vào chất chiết rút. Vì vậy, khối lượng của mẫu sau khi chiết rút (tức là khối lượng của phần chất rắn còn lại) hầu như không thay ñổi so với trước khi chiết rút chúng.

Phần trăm phát hiện ñược từ lượng bổ sung thêm vào mẫu nói trên có thể ñược xác ñịnh theo công thức US. EPA như sau:

Xi = 326 mg/kg

Xu = 285 mg/kg

14

K = kg/mgkg

gx

g

ml

mgmlx

501

1000

40

1000

10002

=

% phát hiện ñược = ( )

%,xkg/mg

kg/mgkg/mg082100

50

285326=

−

Không có sự ñiều chỉnh chính xác về khối lượng hoặc thể tích nào ñược ñưa vào trong cách tính toán trên. Vì vậy, Xu ñã ñược lấy là 285 mg/kg.

Lượng phần trăm phát hiện ñược trong ví dụ trên ñược tính theo cách 2 sẽ là:

( ) ( )

%,xkg/mgkg/mg

kg/mg397100

50285

326=

+

2.3. ðồ thị kiểm tra

Có hai loại ñồ thị kiểm tra là ñồ thị kiểm tra ñộ chính xác và ñồ thị kiểm tra sai số. ðồ thị kiểm tra ñộ chính xác ñược xây dựng từ các lượng phát hiện ñược (%) trong các phân tích thông thường. ðồ thị kiểm tra sai số có thể ñược xây dựng trên cơ sở sự khác nhau phần trăm tương ñối (RPD) của nồng ñộ phân tích trong mẫu và số liệu phân tích lặp lại. Các khác nhau phần trăm tương ñối (RPDs) ñược tính toán cho phần trăm lượng phát hiện ñược trong ma trận các nồng ñộ tiêu chuẩn và phân tích lặp lại các ma trận chất chuẩn trong mỗi ñợt. Khoảng 20 ñiểm (hoặc một số lượng hợp lý các ñiểm số liệu) ñược ñưa ra sẽ phản ảnh tần suất hoặc số lần phân tích. Nếu những mẫu không phát hiện ñược, cần phải pha thêm dung dịch chuẩn có chứa chất phân tích và RPD cần phải ñược xác ñịnh cho một ma trận các lượng phát hiện ñược. Các số liệu này có thể ñược kiểm tra dựa vào các thông tin có sẵn trên ñồ thị kiểm tra. Bất kì một vấn ñề nào xuất hiện trong phép phân tích có thể ñược nhận biết thông qua ñộ lệch lớn so với giá trị trung bình.

Trong phép phân tích bình thường, một mẫu phân tích sẽ ñược pha với một nồng ñộ chuẩn ñã biết, và sẽ xác ñịnh ñược phần trăm lượng phát hiện ñược. ðồ thị kiểm tra ñược xây dựng như ở hình 2.2.

Số lần phân tích

Tần suất

+3S +2S

S -2S -3S

15

Hình 2.2. ðồ thị kiểm tra ñộ chính xác

Giới hạn cảnh báo cận trên UWL (Upper Warning Limits) và cận dưới LWL (Lower Warning Limits) ñược xác ñịnh ở mức ± 2S. Giới hạn kiểm tra cận trên UCL (Upper Control Limits) và cận dưới LCL (Lower Control Limits) ñược xác ñịnh ở mức ± 3S xung quanh giá trị trung bình. Nếu số liệu nào ñó nằm ngoài vùng UCL và LCL, thì sai số phân tích cần phải ñược xác ñịnh và ñược làm chính xác lại.

Lượng thu hồi tốt nhất là nằm trong giới hạn giữa UWL và LWL. Nếu có 7 số liệu liên tiếp nằm ở phía trên hoặc phía dưới giá trị trung bình sẽ chứng tỏ có sai số trong phân tích. Cần thiết phải có 2/3 số ñiểm phân tích nằm trong phạm vi của ñộ lệch chuẩn quanh giá trị trung bình.

ðồ thị kiểm tra ñược trình bày ở trên xác ñịnh cả sai số và ñộ chính xác của phép phân tích, nhưng ñộ chính xác không ñược thể hiện rõ rệt, ví dụ như khi ñồ thị ñược xây dựng không chính xác. Tuy nhiên ñồ thị kiểm tra là rất hữu ích trong ñánh giá chất lượng số liệu phân tích môi trường. ðồ thị kiểm tra sai số cũng có ñược xây dựng trên cơ sở các giá trị RPD từ kết quả phân tích lặp lại các mẫu. Giá trị trung bình và ñộ lệch chuẩn sẽ ñược xác ñịnh. Các giới hạn UWL, LWL, UCL và LCL cũng ñược xác ñịnh tại ± 2S và ± 3S. Phương pháp này ñược coi như hình thức kiểm tra sai số bổ sung cùng với ñồ thị kiểm tra lượng thu hồi ở trên. Các ñồ thị kiểm tra là một phần quan trọng của chương trình kiểm tra chất lượng (QC Programs) trong phân tích môi trường.

16

chương 3. Phương pháp trắc quang

3.1. Phương pháp so màu quang ñiện

Phương pháp so màu quang ñiện là phương pháp phân tích dựa trên sự so sánh cường ñộ màu của dung dịch nghiên cứu với cường ñộ màu của dung dịch tiêu chuẩn có nồng ñộ xác ñịnh.

Phương pháp này ñược dùng chủ yếu ñể xác ñịnh lượng nhỏ của các chất, tốn ít thời gian so với các phương pháp hoá học khác.

a. ðịnh luật cơ bản của phương pháp so màu:

Nếu chiếu một dòng sáng (cường ñộ I0) vào một cuvet ñựng dung dịch thì một phần của nó (cường ñộ Ir) bị phản xạ từ mặt cuvet, một phần khác (cường ñộ Ia) bị dung dịch hấp thụ, phần còn lại (cường ñộ It) ñi qua cuvet. Ta có:

I0 = Ia + Ir + It

Khi sử dụng một loại cuvet có thể xem cường ñộ dòng ánh sáng phản xạ là không ñổi, và thường không lớn nên có thể bỏ qua. Khi ñó phương trình trên có dạng: I0 = Ia + It

I0 và It có thể ño trực tiếp còn Ia tìm ñược theo công thức Ia = I0 - It. Dựa trên nghiên cứu thực nghiệm Bugơ (Bougueur) và Lămbe (Lambert) ñã thiết lập ñịnh luật và phát biểu như sau: Những lớp chất có chiều dày ñồng nhất trong những ñiều kiện khác như nhau, luôn hấp thụ một tỉ lệ bằng nhau của chùm sáng chiếu vào những lớp chất ñó.

Biểu thức toán học của ñịnh luật là:

It = I0 . e-kl

Trong ñó: l : Chiều dày lớp hấp thụ

k : Hệ số tắt, hệ số này chỉ phụ thuộc vào bản chất chất tan và bước sóng ánh sáng chiếu vào dung dịch. Do ñó dịnh luật hấp thụ ánh sáng Bugơ - Lămbe chỉ ñúng cho tia ñơn sắc.

Khi nghiên cứu sự hấp thụ ánh sáng của dung dịch, Bia (Beer) ñã thiết lập ñược mối tương quan giữa hệ số tắt k với nồng ñộ chất hấp thụ theo phương trình:

k = ε' . C

Kết hợp những nghiên cứu của Bugơ - Lămbe - Bia thì:

I0 . e -ε,C l

hay It = I0 . 10 - ε C l

17

Nếu nồng ñộ C ñược tính theo mol/l; chiều dày lớp dung dịch (l) ño bằng cm thì ε ñược gọi là hệ số tắt phân tử hay hệ số hấp thụ phân tử; ε là một ñại lượng không ñổi phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng, bản chất của chất tan, nhiệt ñộ dung dịch.

b. Các ñại lượng thường dùng trong phương pháp so màu:

Tỉ số giữa cường ñộ chùm sáng sau khi ñi qua dung dịch (It) với cường ñộ chùm sáng chiếu vào dung dịch (I0) gọi là ñộ truyền qua, kí hiệu bằng T.

T = I

It

0

= 10 - ε C l

ðại lượng T ứng với chiều dày lớp dung dịch bằng 1 cm gọi là hệ số truyền qua.

Logarit của ñại lượng nghịch ñảo với ñộ truyền qua gọi là mật ñộ quang D hay ñộ tắt E (extinction):

D = E = lg1

T = lg

I

I t

0 = ε. C .l

Từ ñịnh nghĩa này thấy rằng là mật ñộ quang D tỉ lệ thuận với nồng ñộ chất tan trong dung dịch.

c. Vùng quang phổ hấp thụ

ðặc ñiểm hấp thụ ánh sáng của các hợp chất màu là sự hấp thụ chọn lọc. Hệ số hấp thụ phân tử của hợp chất màu và mật ñộ quang của dung dịch khác nhau ñối với chùm ánh sáng ñi qua có các bước sóng khác nhau. Vì vậy phổ hấp thụ cũng là một ñặc trưng ñiển hình của các hợp chất màu.

Khi sử dụng phương pháp so màu ñể ñịnh lượng một chất cần phải dùng tia ñơn sắc nào mà khi chiếu qua dung dịch, dung dịch có khả năng hấp thụ lớn nhất. ðể xác ñịnh bước sóng ánh sáng hấp thụ cực ñại người ta ño giá trị mật ñộ quang hoặc hệ số hấp thụ phân tử của dung dịch màu với những bước sóng khác nhau, cách nhau 10 - 20 nm. ở giá trị bước sóng nào mà mật ñộ quang ño ñược là lớn nhất thì ñó là bước sóng ánh sáng thích hợp ñể ñịnh lượng hợp chất màu này.

Dmax

λmax

λ (nm)

D

Hình 3.1. Vùng quang phổ hấp thụ

18

d. Kính lọc màu

ðể ñảm bảo ñộ nhạy và ñộ chính xác của phép xác ñịnh, người ta không cho dung dịch hấp thụ một chùm ánh sáng mà chỉ cho những tia ñơn sắc bị dung dịch màu hấp thụ cực ñại ñi qua. Muốn tách ñược những tia sáng này người ta phải dùng kính lọc sáng (kính lọc màu).

Kính lọc sáng là tên gọi chung các môi trường như thủy tinh, màng tổng hợp... chỉ cho những tia sáng thuộc một vùng xác ñịnh của quang phổ ñi qua.

Kính lọc sáng trong phương pháp so màu, phải ñảm bảo cho ánh sáng ñơn sắc truyền qua ñạt cực ñại ở những bước sóng trùng với bước sóng hấp thụ cực ñại và ñi qua kính lọc màu phải bị dung dịch hấp thụ chọn lọc cao nhất. Muốn vậy trước khi ño mật ñộ quang dung dịch một hợp chất màu chưa biết λmax (bước sóng ánh sáng bị hấp thụ cực ñại) cần tiến hành phương pháp thực nghiệm: quay các kính lọc màu xem kính nào cho ánh sáng màu bị hấp thụ mạnh nhất, hoặc có thể dựa vào màu sắc của dung dịch xác ñịnh ñể tìm kính lọc màu thích hợp theo bảng sau:

Bảng 3.1. Các kính lọc sử dụng cho các dung dịch màu

MÀU CỦA DUNG DỊCH MÀU CỦA KÍNH LỌC SÁNG

Tím

Xanh

Xanh lục Lục xanh

Lục

Lục vàng

Vàng

Da cam

ðỏ

Lục vàng

Vàng

Da cam

ðỏ

ðỏ nâu

Tím

Xanh

Xanh lục

Lục xanh

e. Phương pháp xác ñịnh nồng ñộ các chất

Khi tiến hành một loạt phép xác ñịnh, phương pháp thuận lợi nhất là phương pháp ñường chuẩn. ðể xây dựng ñường chuẩn ta ño màu các dung dịch chuẩn của chất ñó với các nồng ñộ hoặc hàm lượng ñã biết.

Tiến hành ño giá trị mật ñộ quang D (hay phần trăm ñộ truyền qua) của dãy dung dịch chuẩn này và xây dựng ñường chuẩn bằng phương pháp hồi qui tuyến tính. Trục hoành biểu diễn giá trị D, trục tung biểu diễn giá trị nồng ñộ hoặc hàm lượng của chất

chuẩn.

Nếu nồng ñộ dung dịch màu nằm trong khoảng tuân theo ñịnh luật Bugơ - Lămbe - Bia thì tất cả giá trị mật ñộ quang nhận ñược nằm trên một ñường thẳng. Sau ñó ño giá trị mật ñộ quang của dung dịch màu nghiên cứu với cùng cuvet và kính lọc mầu sử dụng ñể ño các dung dịch chuẩn. Dựa vào ñường chuẩn, ta xác ñịnh ñược nồng ñộ dung dịch mầu nghiên cứu. Hình 3.2 sẽ minh họa việc xây dựng một thang chuẩn trong xác ñịnh hàm lượng photpho (P2O5) bằng phép hồi qui tuyến tính, ñiểm chấm là ñiểm thực nghiệm và ñường thẳng là ñường hồi qui:

19

y = 0.501xR2 = 0.9857

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

D

mg P2O5

Hình 3.2. ðường chuẩn trong phương pháp xác ñịnh photpho

Về lí thuyết, các ñiểm khi xây dựng ñường chuẩn phải nằm trên một ñường thẳng, nhưng trong thực tế do có những sai số khó tránh khỏi, chúng có chênh lệch ít nhiều. Vì màu của dung dịch biến ñổi theo thời gian (thường bị nhạt dần), cho nên do vậy không nên kéo dài thời gian ño, do ñó số lượng mẫu phải hạn chế. Nhưng nếu dung dịch có màu bền thì không ñòi hỏi khắt khe như vậy.

3.2. Phương pháp quang kế ngọn lửa ( flamephotomet )

Phương pháp quang kế ngọn lửa là một dạng phân tích quang phổ phát xạ. Nguyên lý cơ bản của phương pháp như sau: Dưới tác dụng của nhiệt ñộ ngọn lửa các nguyên tử, phân tử hoặc ion của chất bị kích thích sẽ chuyển sang trạng thái các dao ñộng của ñiện tử phát xạ. Cường ñộ phát xạ này ñược ño bằng dụng cụ quang học rồi từ ñó tính ra nồng ñộ chất cần xác ñịnh. Phạm vi sử dụng quang kế ngọn lửa rất lớn. Rất nhiều

nguyên tố có thể dùng phương pháp này ñể xác ñịnh trực tiếp hoặc gián tiếp với tốc ñộ nhanh và có ñộ chính xác cao.

a. Cơ sở lí thuyết: Sự hấp thụ hoặc phát xạ năng lượng ánh sáng làm cho nguyên tử (hoăc phân tử, ion) chuyển từ trạng thái bình thường sang trạng thái kích thích và ngược lại.

ở trạng thái bình thường nguyên tử có năng lượng nhỏ nhất, khi hấp thụ năng lượng chúng chuyển sang trạng thái kích thích. Thời gian nguyên tử ở trạng thái kích thích rất ngắn (thường là 10 -8 giây) rồi lại chuyển về trạng thái cân bằng kèm theo sự phát xạ.

Sự phát xạ phụ thuộc vào mức năng lượng của chúng ở trạng thái bình thường và trạng thái kích thích.

∆E = E2 - E1 = hν

Như vậy mỗi một nguyên tử hay ion biến ñổi từ trạng thái bình thường sang trạng thái kích thích ñược ñặc trưng bằng một trị số năng lượng nhất ñịnh. Vì vậy, sự phát xạ nguyên tử của bất kì một nguyên tố nào cũng có thành phần quang phổ ñặc trưng hay

cấu tạo vạch quang phổ ñặc trưng.

20

ðể ứng dụng trong phép phân tích ñịnh lượng người ta chọn lấy một vạch quang phổ ñặc trưng nhất tức là vạch phổ xuất hiện cuối cùng khi giảm dần nồng ñộ chất. Sự thay ñổi cường ñộ của vạch này sẽ xác ñịnh lượng nguyên tố cần phân tích.

Sự kích thích quang phổ phát xạ tăng lên khi tăng nguồn năng lượng ban ñầu cung cấp, tức là nhiệt ñộ. Tuy nhiên, một số nguyên tố (như kim loại kiềm, kiềm thổ) có thể phát xạ ánh sáng ở nhiệt ñộ không cao lắm, vì vậy việc xác ñịnh những nguyên tố này không cần thiết phải ñốt ở nhiệt ñộ rất cao. Nhìn chung ñể nhận dược những vạch quang phổ cần có nhiệt ñộ thích hợp cho từng nguyên tố.

Bảng 3.2. Nhiệt ñộ của một số ngọn lửa thường dùng (Theo Poluectov)

Hỗn hợp cháy Nhiệt ñộ ngọn lửa(0 C)

Propan - không khí 1700 - 1800

Hidro - không khí 2000 - 2045

Axetylen 2125 - 2397

Hidro - oxi 2550 - 2660

Axetylen - oxi 3100 - 3137

Propan - N2O 2850 - 2900

Khi tăng nồng ñộ nguyên tố có thể xảy ra hiện tượng hấp thụ phát xạ, tức là những nguyên tố không bị kích thích sẽ hấp thụ một phần năng lượng phát xạ. Vì thế nên bắt ñầu từ một giới hạn nồng ñộ nào ñó (ñối với mỗi nguyên tố xác ñịnh) thì quan hệ giữa cường ñộ phát xạ I và nồng ñộ C sẽ không là tuyến tính (hình 3.3), tức là phương pháp quang kế ngọn lửa chỉ ñúng và dùng ñược trong phạm vi nồng ñộ nhất ñịnh ñối với từng nguyên tố.

Hình 3.3. Quan hệ giữa cường ñộ phát xạ và nồng ñộ nguyên tố

Ngoài ra cần chú ý tới những ñiều kiện sau:

+ Quá trình xảy ra trong ngọn lửa: ở ñiều kiện nhiệt ñộ cao thường có sự bay hơi lớn, phân tử các muối phân li tham gia phản ứng với các thành phần khác, kết quả là cùng một lúc trong ngọn lửa tồn tại một lượng electron tự do, ion, phân tử, nguyên tử...Cân bằng giữa những dạng này phụ thuộc vào nhiệt ñộ của ngọn lửa, thành phần hơi của dung dịch, ñiều kiện oxi hoá - khử. Vì vậy thành phần dung dịch chứa nguyên

lgI

lgC

21

tố cần xác ñịnh có ảnh hưởng ñến kết quả phân tích. ðể loại trừ ảnh hưởng này, cần chuẩn bị dung dịch chuẩn có thành phần giống như thành phần dung dịch phân tích.

+ Thành phần dung dịch không những ảnh hưởng ñến các quá trình xảy ra trong ngọn lửa mà còn ảnh hưởng tới quá trình bơm mẫu. Nhiệt ñộ, sức căng bề mặt...sẽ thay ñổi lượng dung dịch ñược hút qua vòi phun tham gia vào trong ngọn lửa, nên ñộ sáng của ngọn lửa cũng sẽ thay ñổi. ðiều ñó sẽ gây nên sai số cho phép phân tích.

+ Sự có mặt của các ion lạ với lượng lớn trong dung dịch sẽ làm chuyển dịch cân bằng trong các phản ứng phân li và ion hoá trong dung dịch. Ví dụ như cường ñộ phát xạ của canxi và của các kim loại kiềm khác giảm xuống khi có mặt nhôm vì khi ñó tạo thành một hợp chất khó phân li (nCaO.Al2O3). Lượng canxi càng nhiều thì giá trị n càng lớn.

+ Các cation kim loại kiềm có ảnh hưởng ñến sự phát xạ của nhau, thường làm tăng cường ñộ phát xạ. ảnh hưởng của các cation kim loại kiềm giảm theo thứ tự sau:

Cs > Rb > K > Na > Li

+ ảnh hưởng của anion: Khi có mặt một vài anion trong dung dịch sẽ làm giảm nồng ñộ và cường ñộ phát xạ của nguyên tử kim loại. Anion nitrat NO3

- có ảnh hưởng nhất ñến sự phát xạ của kim loại kiềm. Mức ñộ ảnh hưởng tăng dần theo thứ tự sau:

SO42- < Cl- < PO4

3-

+ Rất nhiều chất có mặt trong dung dịch thường tự phát xạ với những bước sóng gần với bước sóng phân tích của nguyên tố xác ñịnh. ðiều ñó làm tăng kết quả xác ñịnh. Ví dụ, khi xác ñịnh nitrat cần chú ý vạch quang phổ của canxi, khi xác ñịnh kali cần chú ý vạch của liti và rubiñi.

b. Quang kế ngọn lửa

Cấu tạo:

Bất kì một quang kế ngọn lửa nào cũng gồm những bộ phận chính như sau:

+ Nguồn phát xạ: gồm máy bơm không khí nối với ống phun mù ñể chuyển dung dịch sang trạng thái sol khí ñưa vào ngọn lửa, bộ phận cấp hơi ñốt ñưa vào ñèn.

+ Thiết bị ñơn sắc: thường là các kính lọc phân lập, mỗi nguyên tố có kính lọc màu riêng, thường có các kính lọc của natri, kali, canxi...

+ Máy thu phát xạ: ño cường ñộ phát xạ. ða số các nước thường dùng tế bào quang ñiện.

+ ðiện kế nhạy (ñến 10-10 A). ðó là kiểu ñiện kế gương quay.

Sử dụng:

Chuẩn bị một thang dung dịch chuẩn ñã biết nồng ñộ, có thành phần tương tự với thành phần dung dịch phân tích.

Mở bình nén không khí và khí ñốt axetylen (trước khi ñi vào vòi phun và ñèn ñốt, khí ñốt và không khí cần ñược làm sạch bằng dung dịch H2SO4 ñặc). ðiều chỉnh áp suất khí ñốt và không khí cho thích hợp tức là làm sao cho ngọn lửa cháy tốt (nếu ngọn lửa có màu vàng và có khói là thừa khí ñốt, ñiều chỉnh sao cho ngọn lửa ñều không có màu) và dung dịch bị hút vào ổn ñịnh, vừa phải.

Quay kính lọc tương ứng.

22

Mở công tắc, ñưa và dung dịch chuẩn có nồng ñộ lớn nhất. Nếu chỉ số của ñiện kế chỉ ngoài thang thì phải giảm màng chắn ñể ñọc ñược chỉ số trên ñiện kế. Tiếp tục ño thang chuẩn với nồng ñộ từ thấp ñến cao. Số ñọc phải lập lại hai lần. Mỗi lần thay ñổi dung dịch ñều phải rửa ñèn bằng nước cất và kim ñiện kế phải chỉ về 0. Vẽ ñồ thị chuẩn.

Thay dung dịch chuẩn bằng dung dịch phân tích. ðọc trị số trên ñiện kế.

Dựa ñồ thị xác ñịnh ñược nồng ñộ chất cần phân tích.

ðóng vòi khí ñốt, ñóng tế bào quang ñiện. Rửa vòi phun bằng nước cất. Thông khí toàn bộ hệ thống.

3.3. Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)

Như ñã biết, vật chất ñược cấu tạo từ các nguyên tử và nguyên tử là phần tử nhỏ nhất còn giữ ñược tính chất của nguyên tố. Trong ñiều kiện bình thường nguyên tử không thu hay phát ra năng lượng dưới dạng các bức xạ lúc này nguyên tử tồn tại ở trạng thái cơ bản. ðó là trạng thái bền vững và có mức năng lượng thấp nhất của

nguyên tử. Khi ở trạng thái hơi nguyên tử tự do nếu chiếu một chùm tia sáng có những bước sóng xác ñịnh vào ñám hơi nguyên tử ñó thì các nguyên tử tự do sẽ hấp thụ các bức xạ có bước sóng nhất ñịnh, ứng với những tia bức xạ mà nó có thể phát ra ñược trong quá trình phát xạ. Lúc ñó nguyên tử ñã nhận năng lượng dưới dạng các tia bức

xạ và nó chuyển lên trạng thái kích thích, có năng lượng cao hơn trạng thái cơ bản. ðó là tính chất ñặc trưng của nguyên tử ở trạng thái hơi. Quá trình ñó gọi là quá trình hấp thụ năng lượng của nguyên tử. Phổ sinh ra trong quá trình này ñược gọi là phổ hấp thụ

nguyên tử.

Nghiên cứu sự phụ thuộc của cường ñộ một vạch phổ hấp thụ của một nguyên tố và nồng ñộ C trong mẫu phân tích, lí thuyết và thực nghiệm cho thấy rằng: trong một vùng nồng ñộ C nhỏ, mối quan hệ giữa cường ñộ vạch phổ hấp thụ và nồng ñộ của nguyên tố ñó trong ñám hơi cũng tuân theo ñịnh luật Bugơ - Lămbe - Bia:

D = 0,43. K.C.l

K : Hệ số hấp thụ, phụ thuộc vào chiều dài sóng

C : Nồng ñộ nguyên tố cần xác ñịnh có trong ngọn lửa

l : Chiều dày của lớp hấp thụ

D : Mật ñộ quang của ngọn lửa ( D= lg I0/ I)

Dựa vào giá trị mật ñộ quang, người ta xác ñịnh nồng ñộ nguyên tử của nguyên tố cần xác ñịnh trong thể tích mẫu. Biểu thức trên chứng tỏ mật ñộ quang của lớp hấp thụ tỉ lệ thuận với nồng ñộ của nguyên tử chứa trong ñó tại bước sóng hấp thụ ứng với nguyên tố ñó. Tính tỉ lệ này ñược bảo toàn trong một khoảng nồng ñộ nhất ñịnh, tùy thuộc vào tính chất của nguyên tố cần xác ñịnh và tính chất của ñèn. Sự phụ thuộc trên là cơ sở thực tiễn của phương pháp phân tích hấp thụ nguyên tử ñịnh lượng.

a. Nguyên lí và thiết bị của phép ño quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS):

Cơ sở lí thuyết của phép ño AAS là sự hấp thụ năng lượng (bức xạ ñơn sắc) của nguyên tử tự do ở trạng thái hơi (khí) khi chiếu chùm tia bức xạ qua ñám hơi của

23

nguyên tố ấy trong môi trường hấp thụ. Vì vậy muốn thực hiện ñược phép ño phổ hấp thụ nguyên tử cần phải có các quá trình sau:

+ Chọn các ñiều kiện và một loại thiết bị phù hợp ñể chuyển mẫu phân tích từ trạng thái ban ñầu (rắn hay dung dịch) thành trạng thái hơi của các nguyên tử tự do. ðó là quá trình nguyên tử hoá mẫu. Những thiết bị ñể thực hiện quá trình này gọi là hệ thống nguyên tử hoá mẫu.

+ Chiếu chùm tia sáng phát xạ của nguyên tố cần phân tích qua ñám hơi nguyên tử vừa ñiều chế ñược ở trên. Các nguyên tử của nguyên tố cần xác ñịnh trong ñám hơi sẽ hấp thụ những tia bức xạ nhất ñịnh và tạo ra phổ hấp thụ của nó. ở ñây, một phần cường ñộ của chùm sáng ñã bị một loại nguyên tử hấp thụ và phụ thuộc vào nồng ñộ của nguyên tố trong môi trường hấp thụ. Nguồn cung cấp chùm tia sáng phát xạ của nguyên tố cần xác ñịnh gọi là nguồn bức xạ ñơn sắc.

+ Dựa trên nguyên tắc của phép ño phổ hấp thụ nguyên tử nên dụng cụ dùng trong phương pháp này gồm có những bộ phận chính như sau: nguồn sáng, bộ hấp thụ, thiết bị quang học, thiết bị thu và ghi.

Hình 3.4. Sơ ñồ nguyên tắc của một máy ño quang phổ hấp thụ nguyên tử 1. ðèn catôt rỗng 2. Bộ ngắt chùm sáng

3. Ngọn lửa 4. Máy ñơn sắc

5. Bộ phận quang 6. Bộ khuếch ñại

7. Microampe 8. Bộ tự ghi

+ Nguồn sáng: Nguồn sáng chính dùng trong phương pháp phân tích quang phổ hấp thụ nguyên tử là các ñèn catôt rỗng. ðèn này là bình hay ống hình trụ bằng thuỷ tinh có các ñiện cực dùng ñể ñốt nóng. Bình ñược nạp ñầy một khí trơ nào ñó có áp suất thấp (agon, neon, heli, xenon...). ðể có vùng bức xạ tử ngoại, cửa ra của ñèn ñược chế tạo bằng thạch anh hoặc thuỷ tinh ñặc biệt.

Catôt rỗng của ñèn ñược chế tạo bằng một kim loại tinh khiết (hoặc bằng vật liệu khác) dưới dạng ống hình trụ mà mặt phía trong của nó ñược phủ bằng một chất có chứa nguyên tố cần xác ñịnh.

Tính ổn ñịnh của ñèn khi làm việc là yếu tố rất quan trọng, nó ảnh hưởng ñến ñộ chính xác và ñộ nhạy của phương pháp phân tích. Tính ổn ñịnh ñó ñược xác ñịnh bằng tính ổn ñịnh của nguồn duy trì khi làm việc, bằng ñặc tính cấu trúc và những tính chất ñặc thù của ñèn. Tính ổn ñịnh của ñèn khi làm việc ñặc biệt có ý nghĩa trong trường hợp sử dụng thang rộng.

1

2

3

4

5

6

7 8

24

Ngoài những loại ñèn catôt rỗng trong thực tế phân tích người ta còn dùng các ñèn không cực cao tần. ðó là các bình bằng thạch anh hay bằng thuỷ tinh có ñường kính từ 10mm ñến 20 mm, trong ñó có ñưa vào một kim loại tương ứng (hay hợp chất của nó và một khí trơ (có áp suất vài mmHg) dùng ñể duy trì sự phóng ñiện trong ñèn. Sự phóng ñiện trong ñèn ñược sinh ra khi ñặt nó vào trong một trường ñiện từ của máy phát có tần số làm việc 100 - 2450 MHz. Cũng có thể sử dụng những nguồn phổ hấp thụ như là ñèn hidro, ñèn xenon, ñèn ñơteri, nhưng các ñèn ñó còn chưa ñược sử dụng rộng rãi trong phân tích quang phổ hấp thụ nguyên tử.

+ Bộ hấp thụ: Bộ hấp thụ dùng ñể chuyển chất phân tích sang trạng thái mà trong ñó các chất cần xác ñịnh sẽ tồn tại dưới dạng những nguyên tử tự do, có khả năng hấp thụ ánh sáng của nguồn sáng bên ngoài. Có thể dùng các loại ñèn khí làm bộ hấp thụ. Các khí thường dùng ñể ñốt ñèn là propan, butan, axetylen, hidro.

Chất oxi hoá khi ñốt cháy là oxi, ñược sử dụng dưới dạng tinh khiết hoặc dưới dạng hỗn hợp với không khí và một vài loại khí khác.

ðặc tính cơ bản của ngọn lửa là nhiệt ñộ và thành phần khí của nó, thành phần khí phụ thuộc vào dạng khí ñốt và chất oxi hoá. Nhiệt ñộ và thành phần khí của ngọn lửa xác ñịnh mức ñộ phân li của các hợp chất ñưa vào và ñược tạo thành trong ngọn lửa. Tuỳ thuộc vào tỉ lệ giữa cacbon và oxi, ngọn lửa sẽ có tính khử hay tính oxi hoá. Ngọn lửa có tính khử khi C > 0, có tính oxi hoá khi C < 0 và là trung hoà khi C = 0.

ðặc tính của dung môi trong mẫu ñược ñưa vào ngọn lửa có thể ảnh hưởng ñến nhiệt ñộ, thành phần khí và làm cho ngọn lửa có tính khử hoặc tính oxi hoá.

Trong ngọn lửa, sự nguyên tử hoá các nguyên tố hoặc các hợp chất của chúng xảy ra trong những ñiều kiện khác nhau, tuỳ thuộc vào hợp chất của nguyên tố ở dạng bền vững với nhiệt hoặc không bền với nhiệt.

Bộ phận phun và ñèn là hai phần rất quan trọng của bộ hấp thụ. Chúng có tác dụng quyết ñịnh ñến ñộ nhạy và ñộ chính xác của phép phân tích. Thiết bị phun ñược dùng ñể chuyển dung dịch phân tích thành trạng thái sol khí ñể ñưa vào ngọn lửa.

ðèn cũng giữ vai trò ñáng kể trong việc xác ñịnh tính ổn ñịnh và vì vậy ñèn cũng xác ñịnh cả ñộ nhạy và ñộ chính xác của phép phân tích. ðèn thường có một khe liền hoặc có một số dãy các lỗ riêng biệt.

Hiện nay người ta ñã nghiên cứu thành công các phương pháp nguyên tử hoá chất phân tích trong bộ phận hấp thụ, ñó là phương pháp không dùng ngọn lửa và phương pháp kết hợp (lò - ngọn lửa). Nhờ những phương pháp này mà ñộ nhạy tăng lên rất nhiều khi xác ñịnh một loạt các nguyên tố.

Kĩ thuật nguyên tử hoá không ngọn lửa

KĨ THUẬT NGUYÊN TỬ HOÁ KHÔNG NGỌN LỬA RA ðỜI SAU KĨ THUẬT NGUYÊN TỬ HOÁ TRONG NGỌN LỬA. NHƯNG KĨ THUẬT NÀY

PHÁT TRIỂN RẤT NHANH VÀ HIỆN ðƯỢC ỨNG DỤNG RẤT PHỔ BIẾN VÌ KĨ THUẬT NÀY CUNG CẤP CHO PHÉP ðO AAS CÓ ðỘ NHẠY RẤT CAO CÓ KHI

GẤP HÀNG TRĂM ðẾN HÀNG NGHÌN LẦN PHÉP ðO TRONG NGỌN LỬA.

25

Phép ño không ngọn lửa ñòi hỏi một lượng mẫu tương ñối nhỏ. Thông thường mỗi lần ño chỉ cần từ 20 ñến 50 µl do ñó không cần nhiều mẫu phân tích, việc chuẩn bị mẫu cũng dễ dàng hơn.

Về nguyên tắc kĩ thuật nguyên tử hoá không ngọn lửa là quá trình nguyên tử hoá tức khắc trong thời gian rất ngắn nhờ năng lượng của dòng ñiện công suất lớn và trong môi trường khí trơ.

Dụng cụ ñể nguyên tử hoá theo kĩ thuật này gồm các nhóm chính như sau:

- Các loại cuvet graphít

- Các loại cốc graphít

- Các loại thuyền làm bằng kim loại chịu nhiệt như Tali

Quá trình nguyên tử hóa không ngọn lửa thường gồm 3 giai ñoạn:

+ Sấy khô mẫu: thường ở nhiệt ñộ 100 - 1500C trong thời gian 20 ñến 40 giây với lượng mẫu nhỏ hơn 100 µl - nhiệt ñộ và thời gian sấy phụ thuộc vào bản chất của các chất ở trong mẫu và dung môi hòa tan.

+ Tro hóa: ðốt cháy các chất hữu cơ và nung luyện mẫu ở nhiệt ñộ thuận lợi cho giai ñoạn nguyên tử hóa - nhiệt ñộ tro hóa phụ thuộc vào bản chất của mỗi nguyên tố và dạng hợp chất mà nguyên tố ñó tồn tại - nhiệt ñộ tro hóa thường thấp hơn nhiệt ñộ tro hóa giới hạn của nguyên tố từ 30 - 500C ; thời gian tro hóa thường từ 20 - 60 giây với lượng mẫu ñưa vào cuvét nhỏ hơn 100 µl trong ñó 1/3 thời gian dùng ñể nâng nhiệt ñộ từ nhiệt ñộ sấy ñến nhiệt ñộ tro hóa ñã ñặt; 2/3 thời gian dùng ñể luyện mẫu ở nhiệt ñộ tro hóa ñã chọn.

+ Nguyên tử hóa: là giai ñoạn quyết ñịnh cường ñộ của vạch phổ, thời gian rất ngắn, từ 3 ñến 6 giây, ñôi khi có thể ñến 10 giây. Tốc ñộ tăng nhiệt ñộ rất lớn (1500 - 20000C/ 1 giây) ñể ñạt ngay tức khắc ñến nhiệt ñộ nguyên tử hóa.

Nhiệt ñộ nguyên tử hóa của mỗi nguyên tố phụ thuộc vào bản chất của nguyên tố, trạng thái và thành phần của mẫu.

+ Thiết bị quang học: Thiết bị này bao gồm, dụng cụ quang học (máy ñơn sắc hay kính lọc ) dùng ñể tách các vạch phân tích của nguồn, các thấu kính, các màng chắn và các gương phụ ñể ñưa các chùm sáng từ nguồn qua bộ phận hấp thụ.

+ Thiết bị thu và ghi: Thiết bị này gồm bộ ghi ánh sáng bao gồm bộ nhân quang và các thiết bị ñiện ñể nuôi bộ khuyếch ñại dòng quang ñiện. Bộ ghi có thể là thiết bị ñọc biểu kiến, thiết bị tự ghi hoặc thiết bị hiện số cùng các sơ ñồ ñiện tương ứng của nguồn nuôi hay là thiết bị ñể in.

b. Những ưu ñiểm và nhược ñiểm của phép ño AAS:

Cũng như các phương pháp phân tích khác, phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử cũng có những ưu ñiểm và nhược ñiểm nhất ñịnh.

Ưu ñiểm:

+ Phép ño phổ hấp thụ nguyên tử có ñộ nhạy và ñộ chọn lọc cao. Gần 60 nguyên tố hoá học có thể ñược xác ñịnh bằng phương pháp này với ñộ nhạy từ 1.10-4 ñến 1.10-

5%. ðặc biệt nếu sử dụng kĩ thuật nguyên tử hoá không ngọn lửa thì có thể ñạt ñến ñộ nhạy n.10-7%.

26

Chính vì có ñộ nhạy cao nên phương pháp phân tích này ñã ñược sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực ñể xác ñịnh lượng vết các kim loại. ðặc biệt là trong phân tích các nguyên tố vi lượng. Cũng do ñộ nhạy cao nên trong nhiều trường hợp không phải làm giàu trước nguyên tố cần xác ñịnh.

+ Có thể xác ñịnh ñồng thời hay liên tiếp nhiều nguyên tố trong mẫu. Các kết quả phân tích rất ổn ñịnh, sai số nhỏ. Trong nhiều trường hợp sai số không quá 15% với nồng ñộ ở mức ppm.

Nhược ñiểm:

+ Phải có một hệ thống máy tương ñối ñắt tiền.

+ Vì có ñộ nhạy cao nên sự nhiễm bẩn có ảnh hưởng lớn ñến kết quả phân tích hàm lượng vết.

+ Phương pháp chỉ cho ta biết thành phần nguyên tố của chất ở trong mẫu phân tích mà không chỉ ra trạng thái liên kết của nguyên tố ở trong mẫu. Vì thế ñây chỉ là phương pháp phân tích thành phần nguyên tố.

c. ðối tượng và phạm vi ứng dụngcủa phương pháp:

ðối tượng chính của phương pháp là phân tích lượng nhỏ và lượng vết các nguyên tố kim loại của các chất vô cơ và hữu cơ trong các loại mẫu khác nhau như quặng, ñất, ñá, nước, các sản phẩm nông nghiệp, phân bón...

Ngoài các kim loại một số phi kim như Si, P, As, Te... cũng có thể xác ñịnh chính xác bằng phương pháp này.

Trong khoảng hai chục năm trở lại ñây phép ño phổ hấp thụ nguyên tử ñã phát triển rất nhanh. Nó ñược sử dụng như là một công cụ phân tích ñắc lực cho nhiều ngành khoa học và kinh tế. Hiện nay nhiều máy ño phổ hấp thụ nguyên tử ñã ñược sản xuất với nhiều tính năng ưu việt. Vì vậy phép ño phổ hấp thụ nguyên tử là một trong những phép ño ưu việt trong hệ thống các phương pháp phân tích hiện nay.

27

Chương 4. Phương pháp ñiện hóa

4.1. Cực chọn lọc ion

Phương pháp phân tích ñiện thế là một trong các phương pháp phân tích ra ñời sớm nhất. Nguyên tắc của phương pháp là ño thế cân bằng của cực nghiên cứu ñể xác ñịnh nồng ñộ cân bằng của chất phân tích hoặc theo dõi sự biến thiên nồng ñộ của nó khi nó tham gia vào phản ứng hóa học.

Khi nhúng cực làm bằng Pt vào dung dịch chứa chất oxihóa - khử liên hợp sẽ có hiện tượng trao ñổi electron giữa cực và chất trong dung dịch. Sự trao ñổi này sẽ gây nên phản ứng ñiện hóa.

Nếu như tốc ñộ của quá trình khử nhanh hơn quá trình oxi hóa thì chất oxi hóa nhận electron nhiều hơn, Pt sẽ nhường e cho chất oxi hóa, lúc ñó bề mặt Pt sẽ mang ñiện tích dương, nó sẽ hút các ion mang ñiện tích âm vào tạo nên lớp ñiện kép. Giữa hai mặt của lớp ñiện kép sẽ xuất hiện một thế và thế E ñó sẽ ñược ño trong phương pháp phân tích này.

Khi tốc ñộ của quá trình oxi hóa bằng tốc ñộ của quá trình khử lúc ñó lượng chất oxi hóa và lượng chất khử không thay ñổi nữa. Thế ñạt tới trạng thái cân bằng. Thế cân bằng có liên quan ñến nồng ñộ hay chính xác hơn là liên quan ñến hoạt ñộ của chất oxi hóa và chất khử theo phương trình Nerst :

E = E0 + 0 059,

.lgn

a

aox

kh

Trên thực tế không xác ñịnh ñược giá trị thế cân bằng của một cực riêng biệt mà chỉ xác ñịnh thế của nó so với một cực dùng làm cực chuẩn. Trong phân tích ñiện thế cực này ñược gọi là cực so sánh (thường là các cực loại 2 như cực calomen bão hòa hoặc cực bạc clorua). Cực cần ño thế cân bằng gọi là cực ño hoặc cực chỉ thị.

Trong số các loại cực chỉ thị dùng trong phân tích ñiện hóa có một loại cực rất ñặc biệt ñược chế tạo từ những loại màng ñặc biệt, thế của cực phụ thuộc một cách chọn lọc vào hoạt ñộ chất cần xác ñịnh. Các cực này ñược gọi là cực chọn lọc ion.

Những công trình nghiên cứu của Nerst và của Reisenfeld về tính chất cơ bản của bề mặt màng và thế xuất hiện trên ranh giới giữa màng và dung dịch ñã giúp hai nhà bác học này ñã ñưa ra khái niệm về ranh giới pha của hai chất lỏng không trộn lẫn với nhau.

ðiện hóa học về màng ñược chính thức nghiên cứu từ năm 1890 trong các công trình của Ostwald - người ñã phát hiện ra màng bán thấm là loại màng cho chuyển qua nó những loại ion xác ñịnh.

Ngay từ thời gian ñầu người ta ñã nghĩ ñến ra hai loại màng: màng ñặc (gồm màng lỏng, màng rắn) và màng lỗ xốp. Trong số các loại màng ñặc, người ta ñã chế tạo ñược

28

các loại màng thủy tinh rất mỏng và từ ñó ñã phát minh ra cực màng thủy tinh là loại cực có thế phụ thuộc chọn lọc với hoạt ñộ của ion hidro trong các dung dịch. Nhà khoa học người Nga là Nikolxki ñã xây dựng thuyết trao ñổi ion của cực màng thủy tinh. Eisenman và các cộng sự ñã xây dựng học thuyết về thế khuếch tán ở trong màng thủy tinh.

Tiếp theo nhà khoa học người Hungari là Pungor và các cộng sự ñã nghiên cứu thành công các loại màng rắn chọn lọc ion ñể chế tạo các cực. Các màng ñầu tiên là các màng dị thể chứa kết tủa bạc halogenua. Sau ñó người ta ñã nghiên cứu và chế tạo các màng chọn lọc ion ñơn tinh thể. Frant và Ross ñã chế tạo ñược cực chọn lọc với ion florua trên cơ sở dùng ñơn tinh thể lan tan florua.

Trong những năm gần ñây các nguyên lí sinh học ñã ñược ứng dụng ñể chế tạo các cực enzim trong ñó màng của cực ñược phủ một lớp chất mang polime chứa enzim. Chất cần xác ñịnh sẽ phản ứng trong lớp enzim và tạo nên sản phẩm gây ra tín hiệu có thể ño ñược.

4.1.1. Lí thuyết về các thế màng của các cực chọn lọc ion

Các khái niệm cơ sở:

Một cực chọn lọc ion gồm có thân cực bên trong chứa dung dịch chất ñiện li có thành phần và nồng ñộ xác ñịnh (dung dịch1), cuối cực là một màng chọn lọc ion (có thể là màng rắn ñồng thể hoặc dị thể hoặc ñơn tinh thể, màng thủy tinh hoặc màng lỏng) và bên trong thân cực có một cực so sánh nhúng vào dung dịch trong.

Hình 4.1. Sơ ñồ nguyên tắc của cực chọn lọc ion (CLI)

Sơ ñồ hệ ñiện hóa khi ño thế của cực chọn lọc ion là:

Cực so sánh 1 Dung dịch 1 Màng Dung dịch 2 Cực so sánh 2

Dd trong Dd phân tích

Thế ñiện ñộng của nguyên tố ñiện hóa ở trên là:

E = E 2 + ∆ ϕM - E 1

Các cực so sánh 1 và 2 thường là các cực loại 2 có thế xác ñịnh và không ñổi, do ñó khi dùng cực CLI trong phân tích chỉ có thế màng ∆ ϕM là có ý nghĩa quyết ñịnh.

Tổng số thế của cực bên trong và thế màng gọi là thế của cực CLI, E CLI

Cực so sánh trong 1

Dung dịch trong 1

Màng

Cực so sánh 2

Cực CLI

Dung dịch phân tích 2 Que khuấy

29

E CLI = E 2 + ∆ ϕM

Trong trường hợp ñơn giản nhất, khi màng của cực CLI ngăn cách hai dung dịch trong và dung dịch nghiên cứu chỉ chứa ion cần xác ñịnh j và trong cả hai dung dịch ñó hoàn toàn không có ion khác ảnh hưởng tới thế màng ñược quyết ñịnh bởi ion j, thì thế màng ñược xác ñịnh theo hệ thức :

∆ ϕM = RT

z F

a

aj

j.ln

( )

( )

1

2

Trong ñó: z là ñiện tích của ion j, aj (1) và aj (2) là hoạt ñộ tương ứng của j trong các dung dịch 1,2.

Trong trường hợp trong dung dịch phân tích có ion K là ion ngăn cản sự xác ñịnh hoạt ñộ của ion j, thì thế của CLI ñược xác ñịnh theo phương trình Nikolxki. Trong phương trình này có sự phụ thuộc của thế vào hệ số chọn lọc của cực cho ion K ñối với ion cần xác ñịnh j. Hệ số chọn lọc thường là hàm số của thành phần dung dịch nghiên cứu và giúp ta ñịnh hướng ñược ảnh hưởng của các ion cản trở tới sự xác ñịnh ion cần phân tích.

Bước nhảy thế giữa cực và môi trường trong trường hợp ñơn giản tuân theo phương trình :

E = E 0 + 2,303 .RT

nF lna x

E 0: Thế ñiện cực trong môi trường với hoạt ñộ của các ion a = 1, nghĩa là ñiện

cực chuẩn.

R : Là hằng số khí

T : Là nhiệt ñộ tuyệt ñối của môi trường (0K )

F : Số Farañay

n : Sự thay ñổi ñiện tích của ion cần xác ñịnh do kết quả của phản ứng ñiện hóa.

a x : Hoạt ñộ của ion X trong môi trường nghiên cứu.

ở 200C, phương trình có dạng:

E = E 0 - 0 058,

npX (với pX = - lg X )

Thế của cực phụ thụôc tuyến tính vào pX cho phép chúng ta sử dụng cực ñó trong thực tiễn phân tích.

4.1.2. Một vài loại ñiện cực chỉ thị thông thường

ðiện cực màng kali: ðiện cực màng kali ñể xác ñịnh hoạt ñộ của ion K+, ñược cấu tạo từ một ống thủy tinh hoặc ống nhựa, phần cuối của ống là màng mỏng chọn lọc ion. Bên trong ống ñược ñổ ñầy dung dịch KCl 0,1M, ñiện cực so sánh bạc clorua ñược nhúng trong dung dịch này.

30

ðiện cực màng kali nhạy với ion kali trong phạm vi nồng xác ñịnh: với ñiện cực EM.K-01 của Liên Xô (cũ) giới hạn này là từ 10-1 ñến 1.10-4 M. Khi có mặt Na+ với tỷ lệ K+ : Na+ là 1 : 20 và NH4

+ với tỉ lệ K+ : NH4+ là 1 : 200 thì các ion Na+ và NH4

+ sẽ cản trở phép xác ñịnh K+ bằng ñiện cực EM.K 01.

Trước khi bắt ñầu làm việc, cần rửa khoang bên trong của ñiện cực hai lần bằng nước cất tại nhiệt ñộ phòng và hai lần bằng dung dịch KCl 0,1M. Sau ñó rót vào ñiện cực 1,5 - 2,5 ml KCl 0,1M rồi nhúng ñiện cực so sánh bên trong vào.

ðể ñiện cực vào dung dịch KCl 0,1M ít nhất là một ngày ñêm và sau ñó vẫn giữ trong dung dịch này. Dùng dung dịch KCl chuẩn ñể kiểm tra ñiện cực sau khi ñã chuẩn bị xong.

Dd KCl mol/l γ± a K+ pK

0,2000 0,718 0,1436 0,84 0,1000 0,770 0,0770 1,11 0,0500 0,816 0,0408 1,39 0,0100 0,902 0,0090 2,04 0,0050 0,927 0,0046 2,34 0,0010 0,965 0,0010 3,02 0,0005 0,0005 3,30 0,0001 0,0001 4,00

ðể kiểm tra ñiện cực cần thiết lập một mạng ño, ñiện cực K ñược nhúng vào trong dung dịch KCl chuẩn, ñiện cực so sánh ñược nhúng trong dung dịch KCl bão hòa. Giữa hai dung dịch này ñược nối bằng một cầu dẫn làm ñầy bằng aga ñã trộn với litiaxetat. ðo trị số sau khi nhúng ñiện cực vào dung dịch sau 5 phút.

Nếu ñiện cực hoạt ñộng tốt, tiến hành ño thế của dung dịch thí nghiệm. Dựa vào thang chuẩn giữa thế và pK tính ra ñược hoạt ñộ của K+ trong dung dịch nghiên cứu.

-0 ,0 8

-0 ,0 6

-0 ,0 4

-0 ,0 2

0

0 ,0 2

0 ,0 4

0 ,0 6

0 ,0 8

0 2 4 6 8 10

pK

E (m V )

Hình 4.2. Sự phụ thuộc thế của mạch ño khi dùng ñiện cực màng K vào giá trị pK

ðiện cực màng nitrat: ðiện cực màng nitrat EM - NO3 - 01 do Liên Xô chế tạo có cấu tạo tương tự như ñiện cực kali, chỉ khác là màng ñược bão hòa bằng ion NO3

-. Khoang bên trong của ñiện cực chứa dung dịch KNO3 0,1M và dung dịch KCl 0,005M, sau ñó nhúng ñiện cực so sánh bên trong vào. ðiện cực so sánh bên ngoài thường dùng là ñiện cực calomen hay ñiện cực bạc clorua.

Thế của ñiện cực màng nitrat trong giá trị pH từ 2 - 9 và hoạt ñộ NO 3- từ 0,001 -

1M tuân theo phương trình :

31

E = E 0 - 0,058. PNO3- .

Các anion khác như Cl-, HCO3-, SO4

2- với tỉ lệ là NO3-: Cl- = 1 : 1; NO3

-: HCO3- =

1 : 5; NO3-: SO4

2- = 1 : 5 sẽ cản trở việc xác ñịnh NO3-.

Trước khi dùng ñiện cực nitrat mới, cần phải rửa khoang bên trong cực hai lần bằng nước cất và hai lần bằng dung dịch KNO3 và KCl với nồng ñộ như trên, sau ñó rót vào 1,5 - 2,5 ml dung dịch này rồi nhúng ñiện cực so sánh bên trong vào. ðiện cực sau khi chuẩn bị xong, ñược giữ qua một ngày ñêm trrong dung dịch KNO3 0,1 M và sau này vẫn giữ trong dung dịch ñó.

Sau khi chuẩn bị ñiện cực xong, tiến hành kiểm tra sự phụ thuộc thế của cực vào giá trị pNO3. Thiết lập mạng ño gồm ñiện cực so sánh và ñiện cực nitrat ñều nhúng trong dung dịch NaNO3 chuẩn. Sau 5 phút, ghi số trên máy ño.

Nồng ñộ NaNO3 (mol/l)

γ± a NO3− pNO3

-

0,1000 0,765 0,0765 1,11 0,0500 0,812 0,0406 1,30 0,0100 0,900 0,0090 2,04 0,0050 0,926 0,0046 2,34 0,0010 0,964 0,0010 3,02 0,0005 0,975 0,0005 3,30 0,0001 1,000 0,0001 4,00

Xây dựng ñồ thị theo kết quả ño thế trong 3 - 4 dung dịch chuẩn. Khi thay ñổi giá trị pNO3

- theo ñơn vị ñộ dốc của ñồ thị là 58 mV.

0

100

200

300

400

500

0 2 4 6

pNO3

E (m V)

Hình 4.3. Sự phụ thuộc của thế của mạch ño khi dùng ñiện cực

màng nitrat vào giá trị pNO3-

Các ñiện cực nhạy với khí:

ðiện cực nhạy với khí ñầu tiên ñược xem như là bộ thu ñể xác ñịnh thế ñã ñược sử dụng là ñiện cực dùng ñể xác ñịnh CO2 trong không khí. Hiện nay ñã có các ñiện cực nhạy với khí ñể xác ñịnh NH3, SO2, H2... và các chất khí khác. Nguyên tắc làm việc của các ñiện cực này dựa trên sự chỉ thị của ion ñược tạo thành do phân tử khí phản ứng với nước.

CO2 + H2O = HCO3 - + H +

32

NH3 + H2O = NH4+ + OH -

HF + H2O = H3O+ + F-

H2S + H2O = HS- + H3O+

Thế của ñiện cực nhạy với khí ñược xác ñịnh bằng phương trình:

E = E0 + RT

nFlgCkhí

Do vậy cũng có khả năng xác ñịnh hàm lượng khí trong mẫu thông qua việc xác ñịnh thế.

Khó khăn cơ bản ñối với các ñiện cực nhạy với khí là việc xây dựng những ñiều kiện ñể thiết lập nhanh cân bằng giữa chất khí và chất lỏng và việc chọn ñiện cực bên trong ñể khí khuếch tán và tham gia thiết lập cân bằng tạo nên những ion ñược xác ñịnh bằng ñiện cực chọn lọc ion.

Cấu tạo của các ñiện cực nhạy với khí:

Hình 4.4. ðiện cực với màng khí thấm qua

1 - Vỏ ñiện cực

2 - ðiện cực chọn lọc ion

3 - Màng chỉ thị

4 - Dung dịch chất ñiện giải

5 - Màng khí thấm qua

6 - Lớp ñệm

7 - ðiện cực so sánh

Hình 4.5. ðiện cực với khoảng trống khí

1 - ðiện cực chọn lọc ion

2 - Chất ñiện li chuẩn

3 - Màng ñiện cực chọn lọc ion

4 - Khe hở không khí

5 - ðiện cực so sánh

6 - Dung dịch phân tích

7 - Khuấy từ

ðặc tính của một vài ñiện cực nhạy với khí

Nguyên tố nhạy

Chất ñiện li bên

trong

Giới hạn dưới

phép ño

Góc nghiêng

pH của chất

ñiện li bên

trong

Chất cản trở

ứng dụng

CO2 H+ NaHCO3 0,01M

= 10-5 + 60 < 4

NH3 H+ = 10-6 - 60 > 11

1

2

3

4

5

6

7

1

2

3

4

5 6

7

33

Et2NH

H+ Et2NH2

Cl 0,01M

= 10-5 - 60 > 11 NH3

SO2 H+ NaHSO3

0,1M = 106

= 10-4 + 60

HSO4-

ðệm Cl2 NO2

Khí thải thực phẩm, vang, chất ñốt

NO2 H+ NaNO2 0,02M

5.10-7 + 60 ðệm xitrat

SO2 CO2

Khí thải, không khí, nitrua trong thực

phẩm.

H2S S2- ðệm xitrat

= 10-8 - 30 < 5 O2 Phân tích ñồ uống, sự

lên men. HF F- H+ 1M = 10-3 - 60 ...2

C C ðệm

HSO4-

= 10-3 - 60 < 2 Sự tinh luyện

Các ñiện cực nhạy với khí hiện nay ñược sử dụng ñể xác ñịnh các ion nitrat trong ñất, trong nước biển với việc khử trước NO3

- ñến amoniăc; ñiện cực loại này còn dùng ñể xác ñịnh SO2 trong các mẫu sinh học, ñể nghiên cứu thành phần các khí thoát ra trong các quá trình tạo thành ñất, trong quá trình hô hấp và dinh dưỡng của thực vật, ngoài ra còn sử dụng ñiện cực loại này ñể xác ñịnh các chất có hoạt tính sinh học.

Các ñiện cực so sánh: ðiện cực so sánh hiện nay thường ñược sử dụng cùng với các ñiện cực chọn lọc ion là ñiện cực bạc clorua. ðây là ñiện cực thuận tiện, ñơn giản, bền và không ñòi hỏi phải bảo quản ngoài việc làm ñầy bên trong cực bằng dung dịch KCl. ðiện cực bạc clorua có vỏ làm bằng thủy tinh, cuối cực có sợi amiăng ñể tiếp xúc giữa ñiện cực với môi trường bên ngoài. Bên trong ống có dung dịch kali clorua, dây dẫn bạc có bề mặt xốp ñã ñược phủ bằng kết tủa bạc clorua.

Thế của ñiện cực ñược xác ñịnh theo nồng ñộ dung dịch KCl. Khi nồng ñộ KCl không thay ñổi thì giá trị thế của ñiện cực cũng không thay ñổi.

Khi phân tích mẫu ngoài thực ñịa nên dùng dung dịch KCl bão hòa.

Thế của ñiện cực bạc clorua:

Dung dịch KCl E(V) ở 250C

Dung dịch KCl bão hòa + 0,202 (200C)

KCl 1,0N + 0,238

KCl 0,1N + 0,290

HCl 0,1N + 0,289

HCl 1,0N + 0,218

Cầu dẫn ñiện:

Cầu dẫn ñiện dùng ñể thiết lập mạng ñiện với các cực chọn lọc ion là một ống thủy tinh hình chữ U, ñường kính bên trong 3 - 5 mm; dài khoảng 5 - 6 cm; ñược nạp ñầy aga trong dung dịch một muối bão hòa (KCl, KNO3, LiCH3COO...). Khi dùng cực chọn lọc ion kali, nạp vào trong cầu dẫn ñiện dung dịch litiaxetat còn khi dùng cực bạc clorua người ta nạp dung dịch kali nitrat.

34

ðể chuẩn bị cầu dẫn ñiện lấy 3 g aga ñã nghiền nhỏ cho vào trong cốc, thêm vào 100 ml nước cất và giữ qua ñêm. Sau ñó ñặt lên bếp, ñun cẩn thận và thêm từ từ 10g muối, khuấy ñều bằng thìa thủy tinh ñến khi tan hoàn toàn.

ðun hỗn hợp trên ở nhiệt ñộ 50 - 600C rồi rót cẩn thận hỗn hợp vào ống chữ U; giữ cho ñến khi hỗn hợp nguội ñi. Cần chú ý rằng trong quá trình cho hỗn hợp vào và giữ hỗn hợp nguội không ñể tạo bọt khí trong ống.

Giữ cầu dẫn ñiện trong dung dịch muối bão hòa (muối nạp vào trong ống). Trước khi dùng, dùng nước cất rửa qua cầu dẫn ñiện, dùng giấy lọc lau khô. Một ñầu cầu ñược ñể trong dung dịch nghiên cứu còn ñầu kia nhúng vào trong dung dịch KCl bão hòa có cắm ñiện cực so sánh.

Sử dụng các ñiện cực chọn lọc ion trong ñiều kiện ngoài thực ñịa.

Các ñiện cực chỉ thị làm bằng thủy tinh và các ñiện cực chọn lọc bằng màng có thể dùng ñể xác ñịnh hoạt ñộ của các ion trong các ñiều kiện ngoài thực ñịa, nghĩa là xác ñịnh trực tiếp trong ñất nếu ñộ ẩm của ñất không nhỏ hơn 15%, trong nước thiên nhiên, nước thải, nước công nghiệp, nước tưới. Khi làm việc ngoài thực ñịa, nguồn ñiện cho máy là pin.

Trước khi ra thực ñịa cần kiểm tra các ñiện cực chỉ thị theo các dung dịch chuẩn. Tất cả các ñiện cực chỉ thị, trừ ñiện cực chọn lọc ion bạc clorua, ñều phải nhúng trong dung dịch bởi vì nếu màng bị khô thậm chí chỉ trong thời gian ngắn cũng có tác hại ñến cực, làm rối loạn chức năng của cực.

Cần xây dựng ñồ thị chuẩn trước tại nhiệt ñộ tiến hành phép ño ở ngoài thực ñịa.

Phân tích nước trong ñiều kiện thực ñịa tiến hành tương tự như phân tích dung dịch trong phòng thí nghiệm.

Khi ño hoạt ñộ của các ion trong ñất, ñiện cực chỉ thị làm bằng thủy tinh và ñiện cực so sánh ñược cắm vào ñất với khoảng cách chính xác 5 - 6 cm. Khi dùng ñiện cực màng cần ñào lỗ trước với ñộ sâu bằng ñộ sâu của phép ño và ñường kính lỗ tương ứng với ñường kính của cực. Sau khi nhúng các ñiện cực vào trong ñất cần ấn nhẹ ñể làm chặt xung quanh cực. Sau 15 - 30 phút, tuỳ thuộc vào ñộ ẩm của ñất, tiến hành ño hoạt ñộ ion cần xác ñịnh.

Hình 4.6. ðiện cực bạc clorua

1 - Vỏ ñiện cực

2 - Sợi amiang

3 - Dung dịch KCl

4 - Lỗ ñể rót

5 - Nút cao su

6 - Dây dẫn bằng bạc

7 - Lớp bạc clorua

4

5

1

3

7

6

2

35

Bảng 4.1. Sử dụng một số ñiện cực chọn lọc ion trong phân tích môi trường

Chất phân tích Kiểu ñiện cực ðiều chỉnh cường ñộ ion (ISA)

NH4+ Cảm ứng khí pH ñiều chỉnh theo ISA

Br Cực rắn NaNO3 5M CO Cảm ứng khí ðệm CO2

a Cl- Cực rắn

Màng lỏng Cực liên hợp

NaNO3 5M - -

Clorin Cực rắn Thuốc thử iôñua CN- Cực rắn NaNO3 5M F- Cực liên hợp

Cực rắn TISAB b

- Florua borat Màng lỏng (NH4)2SO4 2M

I- Cực rắn NaNO3 5M NO3

- Màng lỏng (NH4)2SO4 2M Oxit nitơ Cảm ứng khí ðệm axit

Oxi hòa tan Màng lỏng - ClO4

- Màng lỏng (NH4)2SO4 2M S 2- Cực rắn SAOB c

SCN- Cực rắn NaNO3 5M

Ghi chú: a : ðệm xitrat (Natri xitrat/ axit xitric)

b : Dung dịch ñệm ñiều chỉnh cường ñộ ion tổng số gồm: axit 1,2 - xyclohecxylendinitriltetraaxetic và xitrat hoặc tactrat.

c : Dung dịch ñệm chống oxit hóa S2- gồm: Trilon-B 0,2M; dung dịch NaOH 2M và axit ascobic.

Có thể sử dụng các phương pháp ñường chuẩn hoặc phương pháp thêm ñể xác ñịnh nồng ñộ của một cấu tử trong môi trường.

Ví dụ: ðể xác ñịnh Cl- trong mẫu nước thải bằng phương pháp thêm, trước tiên ñem ño thế của mẫu nước thải giả sử giá trị thế ghi ñược là 17,5 mV (E1), sau ñó tiến hành như sau: lấy 5 ml dung dịch chuẩn Cl- nồng ñộ 75 ppm cho vào bình ñịnh mức 100 ml, ñinh mức ñến vạch mức bằng mẫu nước thải cần phân tích. Chuyển dung dịch ra cốc và tiến hành ño bằng cực chọn lọc ion. Thế ño ñược sẽ là 35,3 mv (E2). Sử dụng công thức:

Trong ñó: Cy : Nồng ñộ chất chuẩn

ρ : Tỷ lệ của thể dung dịch chuẩn trong toàn bộ thể tích ñem ño

C = ρCy

[(1+ρ)x10∆E/S - 1]

36

S : ðộ dốc của ñiện cực

∆E : E2 - E1

áp dụng công thức cho ví dụ trên: Cy = 75 ppm; ρ = 5 ml/ 100ml = 0,05;

∆E = 35,3 - 17,5 = 17,8 mV; S = 58,1 mV

Do ñó nồng ñộ của Cl- trong mẫu phân tích là 3,34 ppm

4.2. Phương pháp cực phổ

Phương pháp cực phổ là phương pháp phân tích do nhà bác học Tiệp Khắc (cũ) Iaroslap Hayropski phát minh năm 1922. Phương pháp này ñã ñược sử dụng rộng rãi ñể ñịnh lượng các chất vô cơ và hữu cơ trong các ñối tượng khác nhau. Nhờ sự hoàn thiện của kĩ thuật cực phổ nên ngày nay ñã có hàng loạt các phương pháp cực phổ khác nhau: cực phổ một chiều dòng khuếch tán, cực phổ xoay chiều, cực phổ hỗn hống, cực phổ xung vi phân...

4.2.1. Cực phổ một chiều dòng khuếch tán (cực phổ cổ ñiển)

Nguyên lí của phương pháp:

Cơ sở của phương pháp là nghiên cứu ñường biểu diễn sự phụ thuộc của cường ñộ dòng ñiện vào thế của bình ñiện phân có cấu tạo ñặc biệt chứa ion cần khảo sát:

I = f (E )

ðường biểu diễn sự phụ thuộc ñó ñược gọi là ñường Von-Amper hay còn gọi là ñường cực phổ hoặc sóng cực phổ.

ðể có ñường Von-Ampe ta dùng máy cực phổ. Sơ ñồ ñơn giản của máy như sau:

Hình 4.7. Sơ ñồ nguyên lý máy cực phổ Hình 4.8. Sóng cực phổ

K - Catôt; A - Anôt; G - ðiện kế;

R - ðiện trở; B - Nguồn

Nửa sóng

Dòng dư

Dòng giới hạn i

-E E1/2

K

A +

-

G

B

R

37

Catot hay dùng là ñiện cực giọt thủy ngân làm ñiện cực chỉ thị còn anot là ñáy thủy ngân hay ñiện cực calomen bão hòa làm ñiện cực so sánh.

Thế E ñặt vào sẽ tạo nên phân cực catot (ϕK) và anot (ϕA). Cân bằng tổng quát của thế bên ngoài ñặt vào có thể biểu thị như sau :

E = ϕK + ϕA + iR

ở ñây iR là sự giảm thế khi dòng ñi qua dung dịch. Các thành phần ϕA và iR trong cực phổ có khuynh hướng tiến tới cực tiểu do bề mặt lớn của ñiện cực so sánh và trong dung dịch so sánh có chất ñiện li trơ (nền), làm giảm ñiện trở R của dung dịch. Do ñó thế bên ngoài ñặt vào chỉ gây nên sự phân cực của ñiện cực giọt thủy ngân. Nếu dùng ñiện cực giọt thủy ngân làm ñiện cực chỉ thị và ñiện cực so sánh là cực calomen bão hòa (thế của cực này trong cực phổ ñược quy ước bằng không) thì :

E = - ϕK

Sự phụ thuộc giữa thế của ñiện cực giọt thủy ngân và cường ñộ dòng ñiện biểu thị bằng ñồ thị dưới dạng ñường cong cực phổ (cực phổ ñồ). Dạng tổng quát của cực phổ ñồ ñược biểu diễn ở hình 4.8.

Khi ñạt ñược thế khử (hoặc oxihóa) của ion nào ñó có trong dung dịch, quá trình ñiện phân ñược bắt ñầu, cường ñộ dòng ñiện tăng lên rõ rệt. Sự tăng lên của cường ñộ dòng chỉ khi trong dung dịch còn lớp khuếch tán sát ñiện cực có chứa ion gây nên dòng ñiện phân. Khi nồng ñộ ion bằng không thì quá trình tăng cường ñộ dòng sẽ ngừng lại. Khi ñó bắt ñầu hiện tượng phân cực nồng ñộ. Khi không có các ion ñược khử (hay ñược oxi hóa) ở lớp sát ñiện cực, cường ñộ dòng lúc này ñược gọi là dòng giới hạn khuếch tán, nó có giá trị không ñổi do có sự khuếch tán chất từ dung dịch ñến lớp sát ñiện cực.

Cường ñộ dòng khuếch tán giới hạn tỉ lệ với tốc ñộ khuếch tán chất ñến ñiện cực, tức là tỉ lệ với nồng ñộ của chất có trong dung dịch.

id = K.C

K : hệ số tỉ lệ

Phương trình trên chính là phương trình dòng khuếch tán giới hạn.

D.Incovic ñã ñưa ra phương trình chi tiết:

id = 605.n.D1/2. m2/3. τ1/6. C

n : Số electron tham gia phản ứng.

D : Hệ số khuếch tán

m : Khối lượng thủy ngân thoát ra từ mao quản trong một ñơn vị thời gian.

τ : Chu kì giọt thủy ngân.

C : Nồng ñộ của chất.

38

Giá trị hệ số tỉ lệ K phụ thuộc vào ñặc tính của ñiện cực sử dụng, ñặc tính của ion ñược khử hoặc ñược oxi hóa, ñặc tính của chất ñiện li trơ và nhiệt ñộ của dung dịch cực phổ.

Trong trường hợp khử cation, giá trị dòng khuếch tán giới hạn có liên quan ñến nồng ñộ của nguyên tố phân tích chỉ là một phần của dòng tổng số it.

id = it - (ik +ig +ih )

ik : Dòng tụ ñiện

ig : Dòng ñiện phân yếu do các tạp chất trong dung dịch gây nên.

ih : Dòng di chuyển.

Dòng di chuyển xuất hiện là do sự di chuyển của các ion dưới tác dụng của lực ñiện trường, ñể loại trừ cần thêm vào trong dung dịch phân tích chất ñiện li trơ.

Dòng ñiện phân yếu ñược loại trừ bằng cách tinh chế cẩn thận chất ñiện li trơ.

Dòng tụ ñiện sinh ra do lớp ñiện kép của dòng khuếch tán ở sát ñiện cực tích ñiện, dòng này nói chung cũng khó loại trừ. Dòng tụ ñiện và dòng ñiện phân yếu gộp lại thành dòng dư.

Dòng dư trong nhiều trường hợp lớn ñến mức không thể ño ñược sóng cực phổ, ñặc biệt khi xác ñịnh các kim loại nặng trong ñất, trong nước và trong thực vật ñòi hỏi tiến hành ở ñộ nhạy cao.

ðể làm giảm dòng dư một cách ñáng kể hiện nay trong tất cả các máy cực phổ ñều có thiết bị bổ chính. Sử dụng thiết bị bổ chính cho phép nhận ñược dạng sóng cực phổ tốt hơn rất nhiều và như thế sẽ nâng cao hơn ñộ nhạy và ñộ lặp lại của kết quả.

Khi sử dụng cột thủy ngân sẽ thu ñược những kết quả tốt vì khi ñó sự tăng của dòng bổ chính nhỏ hơn nhiều so với sự tăng của dòng khuếch tán.

Nguyên nhân làm tăng dòng khuếch tán là do hiện tượng chuyển ñộng tiếp tuyến của giọt thủy ngân, chuyển ñộng này gây nên việc khuấy trộn lớp dung dịch ở cạnh giọt, trên ñường cong cực phổ có xuất hiện cực ñại. ðể loại trừ cực ñại người ta thêm vào dung dịch những chất hoạt ñộng bề mặt như aga-aga, gelatin... khi ñó chuyển ñộng tiếp tuyến cuả thủy ngân sẽ giảm ñi.

Sóng cực phổ của ion xác ñịnh thường bị sai lệch do có xuất hiện sóng của oxi, oxi chứa trong dung dịch của ion xác ñịnh ñược trên ñiện cực giọt thủy ngân:

02 + 2 H + + 2 e → H202 (trong môi trường axit)

02 + 2 H20 + 4 e → 2 H202 (trong môi trường kiềm)

H202 + 2 H+ +2 e → 2 H20 (trong môi trường axit)

H202 + 2 e → 2 OH - (trong môi trường kiềm)

ðể loại oxi, trước khi phân tích cực phổ người ta cho khí H2 hay N2 sục qua dung dịch. Trong trường hợp những dung dịch có tính axit, ñể loại oxi có thể dùng CO2, còn

39

trong môi trường kiềm thường dùng natri sunfit, thêm 0,1g Na2SO3 trong 100 ml dung dịch có thể khử hoàn toàn ñược oxi trong thời gian khoảng 5 phút.

Phân tích cực phổ ñịnh tính và ñịnh lượng:

Khi xác ñịnh ñịnh tính ion ñược khử (hoặc oxi hóa) người ta dựa vào giá trị thế bán sóng E1/2. Giá trị thế bán sóng bằng giá trị thế của ñiện cực chỉ thị khi cường ñộ dòng bằng 1/2 giá trị của dòng giới hạn.

Giá trị thế bán sóng không phụ thuộc vào nồng ñộ của chất phản ứng, không phụ thuộc vào vận tốc chảy của giọt thủy ngân qua mao quản và các yếu tố khác. ðây là một hằng số ñặc trưng cho ion trong một nền nhất ñịnh. Vì thế việc lựa chọn chất ñiện li trơ (chất nền) có ý nghĩa to lớn trong phân tích cực phổ. Hiện nay, người ta dùng các chất ñiện li có thành phần khác nhau (các axit, các muối trung tính, các dung dịch kiềm, các chất tạo phức khác nhau) làm chất nền. ðối với ña số chất nền, người ta ñã thành lập ñược các nguyên tố có khả năng ñược khử hoặc ñược oxi hóa và các giá trị thế bán sóng. Các bảng giá này có ghi trong các sách chuyên khảo hoặc các sổ tay.

Khi phân tích một nguyên tố hay một vài nguyên tố phải chọn chất ñiện li trơ (chất nền) ñể loại trừ ảnh hưởng của các ion kèm theo.

Giá trị của dòng giới hạn hay chiều cao của sóng cực phổ trong những ñiều kiện nhất ñịnh tỉ lệ với nồng ñộ ion cần khảo sát. ðể xác ñịnh chính xác chiều cao của sóng, người ta thường dùng phương pháp của Hon.

Theo phương pháp này người ta kẻ 3 ñường thẳng ở trên sóng, từ các giao ñiểm lại kẻ các ñường song song với trục hoành.

Khoảng cách giữa các ñường thẳng này là chiều cao sóng cực phổ. Từ ñiểm giữa của chiều cao sóng cực phổ kẻ ñường thẳng song song với trục hoành. Từ giao ñiểm của ñường này với sóng cực phổ, kẻ ñường thẳng song song với trục tung. ðường thẳng này cắt trục hoành tại ñiểm là giá trị thế bán sóng. Giá trị thế bán sóng là giá trị tính ñối với ñiện cực calomen bão hòa.

Hình 4.9. Phương pháp xác ñịnh chiều cao của sóng

ðể phân tích cực phổ, người ta thường lấy những lượng thể tích nhỏ (3 - 5 ml), ñể sẽ rút ngắn ñược thời gian ñuổi oxi ra khỏi dung dịch.

Trong phân tích ñịnh lượng, ñể xác ñịnh nồng ñộ người ta sử dụng các phương pháp: phương pháp các dung dịch chuẩn, phương pháp thêm và phương pháp ñường chuẩn. Thuận lợi nhất khi phân tích hàng loạt mẫu là phương pháp ñường chuẩn.

h

i

-E E1/2

40

ðồ thị ñường chuẩn: trục tung ghi giá trị chiều cao của sóng (h, mm), trục hoành ghi giá trị nồng ñộ C. ðường chuẩn thường ñi qua ñiểm gốc toạ ñộ. ðôi khi ñồ thị không ñi qua gốc toạ ñộ mà cắt trục tung hoặc trục hoành ở một ñiểm nào ñấy. Trong trường hợp cắt trục tung có nghĩa là chưa hòan toàn triệt tiêu dòng dư hay trong dung dịch nền bị nhiễm nguyên tố cần xác ñịnh; khi cắt trục hoành có nghĩa là dòng khuếch tán giới hạn ñược tính chưa hoàn toàn.

4.2.2. Cực phổ hỗn hống (hay Von-Ampe hòa tan)

Cơ sở lí thuyết của phương pháp:

ðể tiến hành cực phổ hỗn hống, người ta thường thực hiện qua 2 giai ñoạn:

+ ðiện phân ñể làm giàu chất cần phân tích lên bề mặt cực ño dưới dạng một kết tủa (kim loại, hợp chất khó tan). Cực ño thường là cực thủy ngân treo có kích thước nhỏ như giọt thủy ngân trong cực phổ cổ ñiển, cực ñĩa quay bằng vật liệu trơ (như than thủy tinh, than nhão tinh khiết, than ngâm tẩm platin...), cực màng thủy ngân trên bề mặt cực rắn trơ. Quá trình ñiện phân thường tiến hành trên các máy cực phổ thông thường tại thế không ñổi khi khuấy dung dịch với vận tốc ñều. Nếu dùng cực rắn ñĩa thì dùng các cực quay quanh trục của nó, nếu dùng cực thủy ngân tĩnh thì khuấy dung dịch bằng máy khuấy từ.

+ Hòa tan kết tủa, làm giàu và ghi ño giá trị cường ñộ dòng tại thế thay ñổi không gián ñoạn (sự hòa tan anôt).

ðường cong biểu diễn sự phụ thuộc của cường ñộ trong quá trình hòa tan anôt có dạng pic. Theo chiều sâu pic người ta tìm ñược nồng ñộ của ion kim loại trong dung dịch và theo thế của pic sẽ biết ñược bản chất của kim loại.

Hình dưới ñây biểu diễn sóng cực phổ của ion Pb2+ nồng ñộ 2.10-4 M trong dung dịch KCNS 0,1M. Hình 11(b) là ñường cực phổ hỗn hống (von - ampe hòa tan) của dung dịch chứa ion Pb2+ nồng ñộ 10-6, KCNS 0,1M khi ñiện phân làm giàu trong 5 phút tại thế (-0,7V). Dùng cực thủy ngân treo có kích thước tương tự giọt thủy ngân khi ño cực phổ, tốc ñộ phân cực hòa tan anôt là 25 mV/s cả hai ñường cong ñược ghi cùng một ñộ nhạy của ñiện kế.

Qua ñó ta thấy phương pháp cực phổ hỗn hống có ñộ nhạy cao hơn phương pháp cực phổ cổ ñiển rất nhiều.

Những yếu tố chủ yếu ñể xác dịnh cường ñộ dòng anôt là: nồng ñộ kim loại trong dung dịch, bán kính giọt thủy ngân, thể tích dung dịch, thời gian ñiện phân, thế ñiện phân, những ñiều kiện thủy ñộng lực học trong thời gian ñiện phân, tốc ñộ thay ñổi trong thời gian ghi và một vài yếu tố khác.

41

Hình 4.10. Các ñường cực phổ cổ ñiển (a) và cực phổ hỗn hống (b) của Pb2+ trong nền KSCN

Sự phụ thuộc vào nhiều yếu tố của iA chứng tỏ quá trình xảy ra trong cực hỗn hống là phức tạp. Có thể chia chúng chia thành 2 nhóm:

Những quá trình xảy ra khi ñiện phân.

Những quá trình liên quan với sự hòa tan của kim loại từ hỗn hống.

Cường ñộ của dòng ñiện phân i d do phản ứng Me n+ + ne + Hg ↔ Me (Hg) gây nên, phụ thuộc vào nồng ñộ của ion kim loại trong dung dịch (C 0), và phụ thuộc vào diện tích S của ñiện cực chỉ thị.

id = Kd . S. C0

ở ñây Kd là hằng số của dòng ñiện phân, phụ thuộc vào những ñiều kiện thủy ñộng lực học khi ñiện phân và phụ thuộc vào hóa trị của ion kim loại và nhiều yếu tố khác.

Tuỳ thuộc vào sự phối hợp của 3 yếu tố: bán kính giọt thủy ngân (r), thời gian ñiện phân (t), thể tích dung dịch (v) mà nồng ñộ kim loại trong dung dịch sau khi ñiện phân (C1) có thể bằng hoặc nhỏ hơn nhiều so với nồng ñộ ban ñầu (C0). Mức ñộ tiêu hao của dung dịch (γ) sau khi ñiện phân ñược xác ñịnh bằng phương trình (A.G. Xtromberg, 1962):

γ = 1 - e-b

b = 4 2. .

.. .

π K

n Fr

t

vd

Theo các dẫn liệu cuả A.G. Xtromberg, mức ñộ tiêu hao của dung dịch có ảnh hưởng ñến ñặc tính của sự phụ thuộc của cường ñộ dòng anot hòa tan kim loại từ hỗn hống và nồng ñộ của ion kim loại trong dung dịch :

iA = 3.KA. C0. v. 1

1r

e b. ( )− − (a)

KA là hằng số dòng anot, KA phụ thuộc vào hệ số khuếch tán của kim loại trong hỗn hống, tốc ñộ thay ñổi thế khi ghi cực phổ, bán kính giọt thủy ngân...

E1/2 Eñp

Icñ ∼ kC Pb0 Pb2+

Ia

Hg0 Hg2+

Pb2+ Pb0 (Hg) Ic

-E

(a)

(b)

42

Nếu b < 0,1 thì γ ≈ b và phương trình trên có dạng :

iA = 12

0

.. . . . .

πnF

K K C r td A

Phương trình này ñúng khi tiến hành phân tích với thể tích dung dịch lớn, thời gian ñiện phân ngắn và bán kính giọt thủy ngân nhỏ. Nồng ñộ các ion kim loại còn lại trong dung dịch trong trường hợp này thực tế không ñổi.

Giá trị pic anốt tỉ lệ với nồng ñộ của ion kim loại trong dung dịch, thời gian ñiện phân và bán kính của thủy ngân.

Nếu b > 3 thì γ ≈ 1, phương trình trên sẽ có dạng :

iA = 3.KA. C0.v.(1/ r)

Khi thể tích dung dịch nhỏ, thời gian ñiện phân lớn, bán kính giọt thủy ngân lớn thì cường ñộ dòng anot tỉ lệ thuận với nồng ñộ kim loại trong dung dịch, thể tích dung dịch, tỉ lệ nghịch với bán kính giọt thủy ngân và không phụ thuộc vào thời gian ñiện phân. Nồng ñộ ion trong dung dịch khi kết thúc quá trình ñiện phân thường nhỏ hơn 5% so với nồng ñộ ban ñầu.

Phương trình (a) ñược tuân theo trong khoảng giá trị b:

0,1 < b < 3

Kĩ thuật tiến hành xác ñịnh:

ðể xác ñịnh một hay một vài nguyên tố, người ta ñặt vào bình ñiện phân một thế có giá trị cao hơn thế bán sóng của nguyên tố bị khử âm nhất là 0,2 - 0,3 V. Tại thế này trong thời gian ñã cho, tiến hành ñiện phân dung dịch thí nghiệm và thường xuyên khuấy ñều dung dịch. Sau khi dung dịch không bị xáo trộn, người ta bắt ñầu hòa tan anôt kim loại từ hỗn hống khi thế giảm ñều.

Hình 4.11. ðường Von - Ampe hòa tan của một số kim loại trong nền K2C03 0,1M

(Nồng ñộ của Zn 2+ , Cd 2+, Bi 3+, Cu 2+ là 10-8M; Pb 2+ và Te+ là 10-7M ñiện phân 5 phút tại E = -1,4 V so với cực calomen bão hòa, cực làm việc là giọt thủy ngân treo).

Trong phương pháp Von - Ampe hòa tan thường nhúng vào bình ñiện phân chứa dung dịch phân tích 3 cực:

Ia

Cu Bi

Te

Pb

Cd Zn

E

0,0 -1,2

43

Cực làm việc là cực trên ñó xảy ra phản ứng kết tủa chất cần phân tích dưới dạng kim loại hoặc hợp chất khó tan.

Cực so sánh, thường là một loại cực loại II như cực calomen hoặc cực bạc clorua. Cực so sánh có thế không ñổi và phải giữ thế này không ñổi trong suốt quá trình làm việc, ñặc biệt khi tiến hành liên tiếp các thực nghiệm trong thời gian ñiện phân dài. ðể ñảm bảo ñược ñiều ñó, cần chế tạo cực so sánh có diện tích bề mặt ñủ lớn ñể mật ñộ dòng qua cực ñủ nhỏ.

Cực phù trợ thường là một cực platin.

Có 3 loại cực làm việc chính:

Cực giọt thủy ngân tĩnh dưới dạng giọt treo hoặc giọt ngồi.

Cực rắn hình ñĩa.

Cực màng thủy ngân ñược ñiều chế tại chỗ trên bề mặt cực rắn ñĩa.

Trong cực phổ hỗn hống người ta hay dùng nhất là cực giọt thủy ngân tĩnh. ðó là một giọt thủy ngân có kích thước nhỏ (ñường kính 0,8 - 1,5 mm) và bất ñộng ñược treo trên một mao quản bằng thủy tinh hoặc ñặt trên một mặt thủy tinh hơi lõm ở giữa có một ñoạn nhỏ và gắn platin ñể dẫn ñiện. ðể ñảm bảo tính chính xác và ñộ lặp lại của các phép xác ñịnh, yêu cầu chủ yếu của cực giọt thủy ngân tĩnh là phải có kích thước không ñổi và có ñộ lặp lại cao, vì sau mỗi một lần ño phải tạo một giọt khác có kích thước như giọt ñã dùng trong lần ño trước. Thông thường người làm phân tích không thể chế tạo ñược cực giọt treo tĩnh có chất lượng cao và vì vậy chỉ có các hãng mới sản xuất ñược cực treo tốt. Cực giọt thủy ngân tĩnh của hãng PAR (Mĩ) và cực giọt thủy ngân treo kiểu Kemula của hãng Brinkmann (Mĩ) là cực tốt nhất.

Nếu có ñược một giọt Hg tĩnh có chất lượng tốt thì việc phân tích sẽ rất thuận lợi vì:

+ Khoảng thế cho phép dùng cực thủy ngân rất rộng, xác ñịnh ñược một số rất lớn kim loại. Trong môi trường axit khoảng thế dùng ñược tốt nhất là -0,15 ñến -1,2 V; trong môi trưòng trung tính và kiềm khoảng thế ñược mở rộng nhiều: từ - 0,15 ñến gần - 2 V.

+ Thuận lợi cho việc chọn ñiều kiện phân tích như chọn thành phần dung dịch nền, chọn thế ñiện phân ñặc biệt khi phân tích các kim loại trong mẫu có thành phần phức tạp vì có thể tham khảo, nghiên cứu những tài liệu khác về phân tích cực phổ ñể biết tính chất cực phổ của các chất khử cực khác nhau trong các nền cực phổ khác nhau.

+ Xác ñịnh nồng ñộ chất phân tích: Nồng ñộ của kim loại trong dung dịch phân tích thường ñược xác ñịnh bằng phương pháp thêm. Khi phân tích nhiều mẫu có cùng một thành phần có thể sử dụng phương pháp ñường chuẩn. Cũng có những trường hợp ñể giảm ảnh hưởng do sự biến ñổi kích thước của hạt, do sự thay ñổi nhiệt ñộ, thời gian ñiện phân và các yếu tố khác ñến kết quả phân tích, có tác giả ñã sử dụng chất chuẩn trong. Khi sử dụng chất chuẩn trong ñể tính nồng ñộ người ta không dùng chiều cao pic của quá trình hòa tan anôt kim loại từ hỗn hống mà dùng tỉ lệ chiều sâu giữa

44

pic của nguyên tố cần xác ñịnh và pic của nguyên tố ñưa vào trong dung dịch làm chất chuẩn trong.

4.2.3. Cực phổ xung

Những phương pháp phân cực ñiện cực hoạt ñộng bằng những xung ñiện áp gián ñoạn có biên ñộ và bề rộng (thời gian tồn tại) xác ñịnh gọi là những phương pháp cực phổ xung. Có hai phương pháp cực phổ xung cơ bản hiện ñang ñược sử dụng phổ biến:

Phương pháp cực phổ xung biến ñổi ñều (Normal pulse polarography - NPP)

Phương pháp cực phổ xung vi phân (Differential pulse polarography - DPP)

4.2.3.1. Phương pháp cực phổ xung biến ñổi ñều (NPP)

Trong phương pháp này ñiện cực giọt thủy ngân ñược phân cực bằng một ñiện áp một chiều chọn trước và ñược giữ không ñổi trong suốt quá trình ñó, ñiện áp này ñược gọi là ñiện áp khởi ñiểm, tương ứng với chân sóng trong phương pháp cực phổ cổ ñiển, trong ñó mỗi một chu kỳ giọt, ñiện cực ñược phân cực bổ xung bằng một xung vuông góc có khoảng tồn tại rất ngắn (40 ñến 100 ms) ñược ñưa vào sát nút trước khi giọt rơi (hoặc chu kì kết thúc). Sau thời gian ñó xung bị ngắt và thế ñiện cực trở về ñiện áp khởi ñiểm. Biên ñộ xung tăng dần theo thời gian với một tốc ñộ ñều giống như tốc ñộ quét thế tuyến tính trong cực phổ cổ ñiển. Cường ñộ dòng cực phổ ñược ghi theo một trong hai cách sau :

Ghi cường ñộ dòng cực phổ tại một thời ñiểm xác ñịnh sau khi ñặt xung (thường là 17 ms trước khi ngắt xung), phần lớn các máy hiện ñang sử dụng thực hiện theo cách này.

Ghi cường ñộ dòng cực phổ hai lần, lần thứ nhất trước khi ñặt xung và lần thứ hai sau khi ñặt xung (trong 2 khoảng thời gian giống nhau: 17 ms trước khi ñặt xung và 17 ms trước khi ngắt xung). Cách này cho hiệu quả tốt hơn nhưng khá phức tạp.

Phương pháp NPP có thể ñạt ñộ nhạy 2.10-7 M cho cả hai quá trình thuận nghịch và bất thuận nghịch.

4.2.3.2. Phương pháp cực phổ xung vi phân (DPP)

Trong phương pháp này, ñiện cực ñược phân cực bằng một ñiện áp một chiều biến thiên tuyến tính với một tốc ñộ chậm, nhưng cuối mỗi một chu kì giọt (giọt rơi cưỡng bức nhờ một bộ gõ) trên khung ñiện áp biến ñổi một chiều, người ta dặt thêm một xung vuông góc với biên ñộ thay ñổi trong khoảng 10 - 100 mV và ñộ dài xung từ 40 - 100 ms. Cường ñộ dòng cực phổ ñược ghi hai lần, lần một tại thời ñiểm τ1, thường là trong 17 ms trước khi nạp xung và lần thứ hai tại thời ñiểm τ2 , thường là 17 ms trước khi ngắt xung. Hai giá trị này ñược ñưa vào bộ so sánh và kết quả chuyển ra bộ ghi là hiệu số của hai giá trị ñó. ðường cực phổ có dạng píc. Ưu ñiểm nổi bật của phương pháp này là có ñộ nhạy cao với các hợp chất vô cơ và hữu cơ ở các quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch và quan trọng hơn là ñường I - E có dạng ñỉnh cực ñại, sau mỗi một ñỉnh dòng ñiện lại trở về trạng thái nền, do ñó phương pháp có ñộ phân giải rất cao, có thể ñạt ñến 50.000 (ví dụ có thể ghi 10 -7 M Cd2+ khi có mặt 5.10-3 M

45

Cu2+ mà không cần tách). ðiều này cho phép phân tích trực tiếp nhiều chất trong cùng một dung dịch. Một hướng phân tích có nhiều triển vọng là sử dụng kết hợp DPP với von-ampe hòa tan, ví dụ có thể xác ñịnh 10-9 M Pb2+ với thời gian không quá 3 phút. Có thể nói, hiện nay DPP là phương pháp cực phổ hoàn chỉnh nhất vì phương pháp này có ñộ nhạy cao, ñộ chọn lọc cao và có tính vạn năng ñối với hầu hết các ñối tượng phân tích.

46

Chương 5 : Các phương pháp phân tích sắc kí

5.1. Mở ñầu

Năm 1906, nhà bác học Nga Michael Tvest ñã cho dung dịch các sắc tố thực vật trong ete dầu hỏa lên cột nhồi bột mịn canxi cacbonat, ông thấy các sắc tố bị hấp phụ lên trên ñầu cột. Khi cho ete dầu hỏa lên cột, các sắc tố di chuyển trong cột từ trên xuống dưới, mỗi sắc tố có một tốc ñộ riêng, tách thành những vùng hay vòng màu xếp chồng lên nhau, hình thành một hệ mà Tvest gọi là sắc ñồ. Ông ñặt tên cho phương pháp tách này là sắc kí (Chromatography). Trong tiếng Hi Lạp chroma là màu, graphein là viết. Tên gọi này ngày nay vẫn ñược sử dụng mặc dù phương pháp này còn ñược dùng tách các chất không màu.

5.2. Một số khái niệm

5.2.1. Quá trình sắc kí

Sắc kí là một nhóm các phương pháp hóa lí dùng ñể tách các thành phần của một hỗn hợp. Sự tách sắc kí ñược dựa trên sự phân chia khác nhau của các chất khác nhau vào hai pha luôn tiếp xúc và không hòa lẫn vào nhau: một pha tĩnh và một pha ñộng (trong thí nghiệm của Tvest): pha tĩnh là canxi cacbonat, pha ñộng là ete dầu hỏa.

Quá trình tách sắc kí gồm 3 giai ñoạn chính:

a. ðưa hỗn hợp lên pha tĩnh (ví dụ ñưa dung dịch các sắc tố lên ñầu cột canxicacbonat). Các chất ñược giữ trên pha tĩnh.

b. Cho pha ñộng chạy qua pha tĩnh (ví dụ: dung môi ete dầu hỏa qua cột), pha ñộng sẽ kéo theo các chất di chuyển trên pha tĩnh với tốc ñộ khác nhau, tách khỏi nhau và có vị trí khác nhau trên pha tĩnh tạo thành sắc ñồ. Giai ñoạn này gọi là khai triển sắc kí

Nếu tiếp tục cho pha ñộng chạy qua thì các chất có thể lần lượt bị kéo ra ngoài pha tĩnh (ví dụ: ra khỏi cột). ðó là quá trình rửa giải và dung môi dùng ñược là dung môi rửa giải (eluent) dịch hứng ñược ở cuối cột gọi là dịch rửa giải (eluate).

Nếu các chất ñược tách trên pha tĩnh (sắc kí khai triển) ta có thể lấy từng phần pha tĩnh có mang chất (phân ñoạn bột trên cột) ñem chiết lấy chất.

Nếu các chất ñược tách ra ngoài pha tĩnh (sắc kí rửa giải) ta có thể hứng thu lấy các phân ñoạn dịch rửa giải có chứa các chất cần phân tích.

c. Phát hiện các chất : Các chất màu có thể phát hiện dễ dàng, các chất không màu có thể phát hiện bằng ñèn tử ngoại hay bằng các thuốc thử. Trong sắc kí rửa giải có thể

47

phát hiện các chất khi chúng ñi ra khỏi cột bằng cách cho dung dịch rửa giải ñi qua một bộ phận phát hiện gọi là detectơ (ñetectơ) ñặt sau cột.

5.2.2. Phân loại các phương pháp sắc kí

- Theo bản chất vật lí các pha:

Pha ñộng có thể là một chất lỏng hay chất khí, pha tĩnh có thể là một chất rắn (hạt xốp hay bột mịn) hay một chất lỏng (ñược giữ trên một chất mang rắn). Do ñó, dựa vào bản chất các pha ta phân biệt các phương pháp (trong tên của phương pháp, pha ñộng ñược nêu trước pha tĩnh);

Sắc kí lỏng - lỏng (Liquid - liquid chromatography LLC )

Sắc kí lỏng - rắn ( Liquid - solid chromatography LSC )

Sắc kí khí - lỏng (Gas - liquid chromatography GLC)

Sắc kí khí - rắn (Gas - solid chromatography GSC)

Hai phương pháp ñầu gọi chung là sắc kí lỏng (LC)

Hai phương pháp cuối gọi là sắc kí khí (GC)

- Theo hiện tượng sắc kí:

Sắc kí hấp phụ (adsorption chromatography) pha tĩnh là chất rắn có khả năng hấp phụ, ñó là các phương pháp sắc kí lỏng - rắn và khí - rắn.

Sắc kí phân bố (partition chromatography) pha tĩnh là chất lỏng không hòa lẫn ñược với pha ñộng, chất lỏng này ñược bao trên bề mặt một chất rắn gọi là giá hay chất mang và phải là chất trơ, không tham gia vào sắc kí. Sắc kí phân bố bao gồm sắc kí lỏng - lỏng và sắc kí khí - lỏng.

Sắc kí trao ñổi ion (ion - exchange chromatography) pha tĩnh là chất nhựa trao ñổi ion (hợp chất cao phân tử có mang những ion có khả năng trao ñổi với các ion cùng dấu của dung dịch hỗn hợp sắc kí).

Sắc kí theo loại cỡ (size - exclusion chromatography) còn gọi là sắc kí trên gel. Các phân tử cỡ lớn sẽ ñược loại, các phân tử nhỏ hơn sẽ ñược tách theo kích thước do các phân tử nhỏ di chuyển chậm hơn.

- Theo kỹ thuật và phương tiện sắc kí:

a. Theo phương pháp giữ pha tĩnh:

Sắc kí trên cột (column chromatography: CC) pha tĩnh ñược chứa trong một cột bằng kim loại hay thủy tinh.

Sắc kí lớp mỏng (thin layer chromatography; TLC) pha tĩnh ñược tráng ñều và giữ trên mặt phẳng của bản thủy tinh, nhựa hay nhôm. Lớp mỏng pha tĩnh thường là: silicagel, nhôm oxyt, celuloze, chất nhựa trao ñổi ion, và có chiều dày khoảng 0,2 - 0,5 mm.

Sắc kí giấy (paper chromatography - PC) pha tĩnh (lỏng) ñược thấm trên một loại giấy lọc ñặc biệt gọi là giấy sắc kí.

48

b. Theo cách cho pha ñộng chạy ta có:

Sắc kí khai triển (development chromatography) cho pha ñộng kéo các chất chạy và tách trên pha tĩnh (sắc ñồ nằm trên pha tĩnh). Sắc kí rửa giải (elution chromatography) cho pha ñộng chạy và kéo các chất lần lượt ra ngoài pha tĩnh (ra khỏi cột, ra khỏi giấy).

Ghi chú: Sắc kí lớp mỏng và sắc kí lớp giấy gọi chung là sắc kí mặt phẳng (planar chromatography ).

SẮC KÍ LỎNG CÓ THỂ TIẾN HÀNH TRÊN CỘT, TRÊN MẶT PHẲNG (LỚP MỎNG, GIẤY).

Sắc kí khí ñược tiến hành trên cột.

Sắc kí khai triển thường ñược thực hiện trên mặt phẳng (giấy và lớp mỏng). Sắc kí rửa giải thường tiến hành trên cột.

- Phân loại sắc kí theo bản chất các pha:

Ghi chú: GSC : Sắc kí khí - rắn GLC : Sắc kí khí - lỏng

LSC : Sắc kí lỏng - rắn IEC : Sắc kí trao ñổi ion

BPC : Sắc kí pha liên kết IC : Sắc kí ion

LLC : Sắc kí lỏng - lỏng SEC : Sắc kí loại cỡ

AC : Sắc kí ái lực PC : Sắc kí giấy

TLC : Sắc kí lớp mỏng

5.2.3. Sự tách sắc kí và sắc ñồ

- Sự tách sắc kí và sắc ñồ:

Khi cho một dung dịch chứa chất A và B chảy qua một cột chứa chất hấp thu. Nồng ñộ của chất A và B trong dung dịch sẽ giảm ñi do một phần các chất này phân bố chuyển vào chất hấp thu. Nồng ñộ của các chất tan A, B trên chất hấp thu sẽ tăng dần và A, B bị tách ra khỏi dung dịch. ðồng thời cũng xảy ra một quá trình ngược lại, các chất A, B trên cột hấp thụ lại phân bố tan trở lại vào dung dịch. Quá trình này phụ

SẮC KÝ

Khí (pha ñộng) GC Lỏng (pha ñộng) LC

GSC GLC Cột Phẳng

LSC BPC LLC SEC AC TLC PC

IEC IC

49

thuộc vào hệ số phân bố của A, B trong dung dịch và chất hấp thu cho ñến khi ñạt cân bằng:

Tốc ñộ hấp thu = tốc ñộ giải hấp

Tuy nhiên vì pha ñộng (dung dịch) luôn di chuyển nên cân bằng trên lại bị phá vỡ, và một cân bằng mới lại ñược thiết lập. Cứ như vậy qua rất nhiều cân bằng (có khi hàng nghìn cân bằng pha) các chất A, B ñược tách ra khỏi nhau do khả năng phân bố của A và B vào chất hấp thu hay khả năng bị giữ trên cột của A và B là khác nhau.

Ví dụ: Cho một dung dịch chứa ion ñồng và ion coban lên trên một cột có chất hấp thu (1), như thế ñồng và coban bị hấp thu trên cột (2). Sau ñó tiếp tục cho dung môi qua cột, ñồng và coban sẽ bị kéo dần xuống và dần dần chúng tách ra thành các lớp (3), dung môi tiếp tục ñược cho qua cột và hai lớp Cu2+ và Co2+ sẽ ñược tách ra khỏi nhau (4,5), tại thời ñiểm t2 sẽ thấy ñược hai dải tách riêng khỏi nhau trên cột: ta có sắc ñồ ngay trên cột. Nếu dừng ở ñây ta có sắc kí khai triển.

Nếu tiếp tục thêm dung môi, tới thời ñiểm t3, dải Co2+ sẽ tách ra khỏi cột, nhờ thiết bị detectơ ta sẽ thu ñược tín hiệu dưới dạng một ñỉnh hay một pic, ở thời ñiểm t4 dải Cu2+ ra khỏi cột lại và cho ta thêm một pic tương ứng. Ta thu ñược một sắc ñồ gồm hai pic riêng biệt ứng với hai chất trên. ðây là phương pháp sắc kí rửa giải và sắc ñồ thu ñược gọi là sắc ñồ rửa giải. Vị trí của pic trên trục thời gian là cơ sở ñể ñịnh tính chất tương ứng và diện tích dưới pic là ñặc trưng ñịnh lượng của chất.

Trong quá trình này ta thấy có một sự khác biệt về khả năng phân bố trong chất hấp thu trên cột: Cu2+ ñược hấp thu mạnh hơn nên sẽ ñẩy Co2+ ra, sở dĩ có hiện tượng ñó là vì:

ðộ tan của ñồng trong dung môi nhỏ hơn so với coban. ái lực của chất hấp thu ñối với Cu2+ mạnh hơn so với Co2+.

Vì hai lí do trên nên ñồng sẽ bị giải hấp ít hơn. Nồng ñộ ion Co2+ trong dung môi từ nhỏ ñến cực ñại rồi giảm ñến 0.

t4

Cu2++Co2

+

Cu2+

Co2Cu2+

Co2 Cu2

+ Co2 Cu2

+ Detector

t0 t1 t2 t3

Dung dịch mẫu

Tín hiệu Detector

Pha ñộng

Hình 5.1. Sự tách sắc ký và sắc ñồ

50

Tốc ñộ di chuyển của dải phụ thuộc vào tốc ñộ di chuyển của pha lỏng (pha ñộng) và mức ñộ hấp thu của chất hấp thu ñối với chất tan. Chất nào bị hấp thu mạnh nhất sẽ di chuyển chậm nhất và nó bị dung môi giải hấp ít nhất.

Cứ như vậy trong ñiều kiện thích hợp ta sẽ tách ñược hoàn toàn các chất ra khỏi nhau.

Do tác dung làm chậm (Retardation), do sự phân bố hấp thu khác nhau của pha tĩnh ñối với từng hợp phần trong hỗn hợp, người ta có thể tách ra từng hợp phần trong hỗn hợp. Vì nguyên tắc của phương pháp sắc kí là: Dựa vào sự phân bố khác nhau của các hợp phần trong hỗn hợp giữa hai pha ñộng (moving phase) và tĩnh (stationary phase).

- Tốc ñộ di chuyển của một chất :

Tốc ñộ di chuyển của một chất có thể ñược ñặc trưng bởi hệ số phân bố của nó giữa hai pha hoặc bởi các ñại lượng về sự lưu giữ của chất ñó trên pha tĩnh (thời gian lưu, thể tích lưu).

a- Thời gian lưu và thể tích lưu: Thời gian lưu là thời gian cần ñể một chất di chuyển qua cột sắc kí, khi ra khỏi cột nhờ thiết bị detectơ ghi nhận tín hiệu và xuất hiện pic trên sắc ñồ (tính từ lúc bơm mẫu ñến khi xuất hiện pic).

tM : Là thời gian lưu của một chất không bị lưu giữ, nghĩa là tốc ñộ di chuyển của nó bằng tốc ñộ di chuyển trung bình của dung môi, thời gian này còn ñược gọi là thời gian chết. tR càng lớn, chất càng bị lưu giữ mạnh và tốc ñộ di chuyển của nó càng nhỏ.

Thời gian lưu hiệu chỉnh tR’ ñược tính theo công thức :

tR’ = tR - tM

Nếu trên trục hoành của sắc ñồ, dùng ñơn vị ño là thể tích dung môi thì ta có các ñại lượng tương tự: thể tích lưu VR và thể tích lưu hiệu chỉnh VR, thể tích VM ñược gọi là thể tích chết của cột hay còn gọi là thể tích rỗng V0.

VR’ = VR - VM

W

thời gian

tín hiệu detector

ðường nền

tR

tM

Hình 5.2. Sắc ñồ của một chất.

51

b- Hệ số phân bố :

K = CS : CM

Trong ñó CS và CM là nồng ñộ chất tan trong pha tĩnh và pha ñộng khi cân bằng ñược thiết lập. Khi nồng ñộ nhỏ K phụ thuộc vào bản chất các pha, chất tan và nhiệt ñộ. K càng lớn thì chất ñó phân bố càng nhiều trong pha tĩnh và sẽ di chuyển càng chậm.

c- Hệ số dung lượng K’(Hệ số phân bố khối lượng) :

K’= QS : QM

Trong ñó: QS và QM là lượng chất tan phân bố trong pha tĩnh và pha ñộng, K’phụ thuộc vào bản chất các pha, bản chất chất tan, nhiệt ñộ và ñặc ñiểm của cột. ðể tách một hỗn hợp chất, người ta thường chọn cột, pha ñộng, và các ñiều kiện phân tích khác sao cho K’ nằm trong khoảng từ 1 ñến 8.

- Sự doãng pic và hình dáng pic:

a - Hình dáng pic: Hình dáng lí tưởng của pic là pic ñối xứng, nhưng thực tế pic sắc kí chỉ gần ñối xứng. Chiều rộng của píc ñược ño ở 1/10 chiều cao của pic.

b- Sự doãng pic: Sự doãng pic là kết quả của sự di chuyển nhanh, chậm khác nhau của các phân tử của cùng một chất khi ñi qua cột sắc kí. Các pic ra chậm bao giờ cũng tù hơn.

c- Hiệu lực của cột: Hiệu lực của cột thưòng ñược ño bằng hai thông số: Số ñĩa lý thuyết N và chiều cao ñĩa lý thuyết H. Ta có thể coi như cột sắc kí ñược chia thành N lớp hay N tầng mỏng, ở mỗi một lớp sự phân bố chất tan vào hai pha ñạt trạng thái cân bằng. Những tầng mỏng giả ñịnh này ñược gọi là ñĩa lí thuyết. Nếu cột sẵc kí có chiều dài là L thì: H = L/N. Cột có N lớn là cột có hiệu lực cao.

d- ðộ phân giải: ðộ phân giải RS là tỉ số khoảng cách giữa hai pic và ñộ rộng trung bình của pic.

RS = 0,75 hai pic tách không tốt, còn xen phủ nhau nhiều

RS = 1,0 hai pic tách khá tốt, còn xen phủ nhau 4%

RS = 1,5 hai pic tách hoàn toàn (chỉ xen phủ 0,3 %)

5.3. Sắc kí lỏng hiệu năng cao

Sắc kí lỏng hiệu năng cao (High performance liquid chromatography-HPLC) còn ñược gọi là sắc kí lỏng cao áp hay sắc kí lỏng hiện ñại. Trong phương pháp này pha tĩnh ñược dùng là những hạt có kích thước rất nhỏ khoảng 10 micromet có hiệu xuất tách rất cao. Cỡ hạt nhỏ ñòi hỏi phải dùng bơm ñể nén dung môi qua cột.

5.3.1. Máy sắc kí lỏng hiệu năng cao

- Sơ dồ nguyên tắc của một máy sắc kí lỏng hiệu năng cao như sau:

52

1 - Bình chứa dung môi

2 - Bơm cao áp

3 - Bộ bơm mẫu

4 - Cột sắc kí

5 - ñetectơ

6 - Máy ghi tín hiệu - Các thành phần chính của máy sắc kí lỏng hiệu năng cao

a. Bình chứa dung môi:

Thường làm bằng thủy tinh, ñôi khi làm bằng thép không rỉ, trong phương pháp rửa giải thông thường chỉ cần một bình chứa dung môi, trong phương pháp rửa giải gradient thường dùng 2, 3, 4 bình chứa các dung môi khác nhau và hệ dung môi rửa giải là hỗn hợp của các loại dung môi trên trộn lẫn với nhau theo tỉ lệ ñã dược xác ñịnh. Cần loại các hạt và các khí hòa tan trong dung môi.

b. Hệ thống bơm:

Bơm dùng trong phương pháp phải tạo ñược áp suất cao (3000 - 6000 psi hay khoảng 250 - 500 at), lưu lượng bơm khoảng 0,1 ñến 10 ml/ph, phải trơ với các dung môi. Hệ thống bơm này phải có khả năng bơm pha ñộng qua cột ở áp suất cao mà không bị ngắt quãng hoặc tạo nhịp sóng có thể làm sai lệch các pic thu ñược. Có nhiều kiểu bơm ñã dùng trong các máy HPLC, nhưng kiểu pitông xoay chiều hiện nay ñược dùng phổ biến nhất.

c. Hệ bơm mẫu (Hệ tiêm mẫu):

Mẫu ñược bơm vào cột nhờ hệ thống van mẫu. Người ta bơm mẫu vào vòng mẫu với thể tích thường là từ 10 ñến 20 µl.

d. Cột sắc kí:

2 3

5

1

4

6

Hình 5.3. Sơ ñồ máy sắc ký lỏng hiệu năng cao

53

Kiểu cột thường phụ thuộc vào phương pháp dùng ñể tách, nhưng thường là những cột bằng thép không rỉ, có cỡ lỗ chính xác ñường kính từ 3 ñến 4 mm và dài từ 10 ñến 30 cm (những cột dùng cho SEC thường rộng hơn và dài ñến 100 cm). Loại cột này có hiệu lực rất cao, có số ñĩa lí thuyết lên ñến 100.000 ñĩa cho 1 m chiều dài cột.

e. Detectơ :

Là bộ phận phát hiện các chất khi chúng ra khỏi cột và ghi nhận các tín hiệu ghi trên sắc ñồ. Hiện ñang sử dụng các loại detectơ sau:

Detectơ tử ngoại (UV): Dùng ñèn thủy ngân cho vạch 254 nm. Nhiều chất hấp thụ ở bước sóng này.

Detectơ tử ngoại và khả kiến ( UV- VIS ): Dùng phổ quang kế lựa chọn bước sóng từ 195 ñến 750 nm. Loại này hiện nay ñược dùng nhiều nhất.

Detectơ ñiện hóa và detectơ huỳnh quang có ñộ nhạy và ñộ chọn lọc cao hay dùng trong phân tích vết. Dùng detectơ ñiện hóa có thể phát hiện ñược những lương picrogam (10 -12 g).

5.3.2. Các phương pháp sắc ký hiệu năng cao

a. Sắc kí phân bố hiệu năng cao:

Gồm hai loại: Sắc kí lỏng-lỏng và sắc kí pha liên kết.

- Sắc kí lỏng - lỏng (LLC): Pha tĩnh là chất lỏng ñược bao trên bề mặt của các hạt chất mang, tức là ñược hấp phụ trên chất mang.

- Sắc kí pha liên kết (BPC): Pha tĩnh ñược gắn hóa học với chất mang tạo ra liên kết siloxan nối nhóm cơ - silic với silicagen.

b. Sắc kí hấp phụ hiệu năng cao (sắc kí lỏng-rắn LSC):

Pha tĩnh là chất rắn mà trên bề mặt có chứa các nhóm hidroxyl phân cực. Pha ñộng là một dung môi không phân cực.

c. Sắc kí trao ñổi ion hiệu năng cao (IEC):

Pha tĩnh rắn chứa các nhựa trao ñổi ion dưới dạng bột mịn, pha ñộng thường là dung dịch nước.

d. Sắc kí lỏng hiệu năng cao trên gel (sắc kí loại cỡ SEC):

Phương pháp này ñược ứng dụng chủ yếu cho các chất có phân tử lượng lớn. Chất nhồi cho SEC là những hạt xốp của silicagel hay các polime có kích thước nhỏ (khoảng 10 µm). Pha tĩnh là dung môi nằm trong các lỗ xốp của hạt, pha ñộng là dung môi chảy giữa các hạt. Chỉ những phân tử nhỏ mới khuếch tán vào lớp xốp, khi rửa giải các phân tử sẽ lần lượt ra theo cỡ từ lớn ñến nhỏ.

5.4. Sắc kí khí (GC - Gas chromatography)

Sắc kí khí là phương pháp ñược dùng ñể tách các chất ở thể khí bay hơi, với pha ñộng là chất khí, gọi là khí mang (carrier gas).

54

Như ñã nêu ở trên, có thể chia phép sắc kí khí thành sắc kí khí rắn (GSC - gas solid chromatography) trong ñó pha tĩnh rắn là một chất hấp phụ, ñây là sắc kí khí hấp phụ và sắc kí khí lỏng (GLC - gas liquid chromatography) trong ñó pha tĩnh lỏng ñược bao hay gắn trên một chất mang rắn (solid support) ñây là sắc kí khí phân bố.

Sử dụng phương pháp sắc kí khí có khả năng tách ñược hoàn toàn những chất hữu cơ tương tự, ví dụ như o-; m-; p - xylen không thể tách ñược bằng phương pháp chưng cất phân ñoạn nhưng tách ñược khá ñơn giản bằng sắc kí khí, cũng như sử dụng ñể tách những hỗn hợp rất phức tạp như khí thải ôtô chứa trên 300 hợp phần. Với việc ra ñời của nhiều loại detectơ, nhiều phương pháp mới xuất hiện như: sắc kí khí - khối phổ (GS - MS), sắc kí khí - hồng ngoại (GC- IR)... ñã làm tăng khả năng phân tích của sắc kí khí .

MÁY SẮC KÍ KHÍ

Sơ ñồ nguyên tắc của một máy sắc kí khí như sau:

Khí mang:

Khí mang là một khí trơ như nitơ, heli, argon, hidro... trong ñó heli là khí mang phổ biến nhất. Khí ñược chứa trong bom khí có gắn van giảm áp và ñiều chỉnh. Khí mang cần có ñộ tinh khiết cao và phải không tương tác với mẫu, chỉ mang mẫu ñi qua cột. Tín hiệu detectơ có phụ thuộc vào sự khác nhau về tính chất giữa khí mang và chất cần phân tích.

Bộ bơm mẫu:

Thường dùng bơm tiêm ñể bơm trực tiếp mẫu qua một vách polime silicon chịu nhiệt cao vào cột hoặc vào phòng ñun nóng mẫu ñể mẫu lỏng có thể bay hơi nhanh chóng. Yêu cầu cần thiết là mẫu phải có ñủ áp suất hơi ñể có thể ñược làm bay hơi trong phòng mẫu. Nhiệt ñộ phòng mẫu có thể cao hơn nhiệt ñộ trong cột một chút ñể quá trình bay hơi ñược thực hiện dễ dàng.

Cột sắc kí:

Cột ñược ñặt trong lò có thể ñiều chỉnh nhiệt ñộ trong quá trình thực hiện.

1

2 3

4

5 6

Hình 5.4. Sơ ñồ máy sắc ký khí 1- Bình khí mang; 2 - Buồng bơm mẫu; 3 - Lò;

4 - Cột sắc ký; 5 - Detector; 6 - Máy ghi

55

Cột thông dụng nhất trong phân tích là những ống bằng thép không rỉ (ñồng, thép) hoặc bằng thủy tinh dài từ 1 ñến 10 m và có ñường kính từ 2 ñến 4 mm. Chúng ñược uốn hoặc cuộn tròn cho khớp với phòng lò. Cột ñược nhồi bằng những phần tử rắn hoạt ñộng như một pha tĩnh (GSC): ñó là những hạt nhỏ xếp gắn trên mặt trong cột hoặc pha tĩnh ñược tẩm trên các hạt nhỏ ñó. Trong sắc kí khí lỏng (GLC), pha tĩnh ñược giữ trên chất mang, ñó là những hạt chất rắn nhỏ, bền nhiệt, trơ về mặt hóa học, có lỗ cỡ 1- 5 µm, bề mặt riêng lớn từ 1- 10 m2/g.

Pha tĩnh phải chịu nhiệt, hóa lỏng ở nhiệt ñộ phân tích, trơ về hóa học. Thường hay sử dụng các polime xốp hoặc gel aluminosilicat khử nước.

Detectơ:

Yêu cầu về detectơ rất nghiêm ngặt: Mọi hợp phần có trong 0,1 µl mẫu phải ñược phát hiện ở mức 1%, cho nên phải nhanh chóng phát hiện ñược 0,002 µl (có khối lượng cỡ 10-6 g) mẫu. Các ñetectơ hiện nay ño ñược những lượng nhỏ hơn ñến mấy bậc. Hiện nay trong phương pháp GC người ta sử dụng những loại ñetectơ sau:

ðetectơ dẫn nhiệt (TCD) : Việc vận hành của ñetectơ dựa trên sự cân bằng nhiệt của một dây dẫn ñun nóng. Khi có chất cần phân tích ñi qua thì ñộ dẫn ñiện của hỗn hợp khí sẽ thấp ñi, dây sẽ nóng lên, xuất hiện một tín hiệu ñiện. ðetectơ dẫn nhiệt thích hợp ñược với nhiều chất cần phân tích.

ðetectơ ion hóa ngọn lửa (FID): Khi ñốt cháy các hợp chất hữu cơ trong ngọn lửa, chúng sẽ tạo ra các ion. Các ñiện cực ở gần ngọn lửa sẽ phát hiện ra sự có mặt của các ion bằng sự xuất hiện một dòng ñiện nhỏ chạy qua mạch ñiện .Có thể ño ñược những dòng ngay cả khi chúng chỉ xấp xỉ bằng 10-12 A. ðây là ñetectơ ñược dùng nhiều nhất, phát hiện ñược ñến 10-9 g .

ðetectơ hấp thụ ñiện tử (ñetectơ bắt ñiện tử - ECD): Nhờ có nguồn phóng xạ như 3H hoặc 63Ni, khí mang bị ion hóa tạo nên một “dòng nhất ñịnh” trong mạch detectơ. Khi một chất phân tích hấp thụ ñiện tử ñược giải hấp nó sẽ làm giảm dòng này ñặc biệt khi hợp chất có chứa nguyên tố có ñộ âm ñiện cao. Dòng sẽ giảm ñi, tạo ra tín hiệu ghi ñược. ðetectơ ñặc biệt nhạy cảm với những hợp chất chứa halogen. ðetectơ hấp thụ ñiện tử rất thuận lợi cho việc phân tích môi trường. ðộ nhạy cao, ñạt tới 10-12 g.

Thông tin GC

Sắc ñồ thông thường biểu thị trên hai trục x và y, trong ñó tín hiệu detectơ ghi trên trục y và thời gian ghi trên trục x.

Khi một hợp phần của mẫu ñược giải hấp và phát hiện nhờ ñetectơ thì tín hiệu ñó sẽ ñược ghi lại. Thời gian ghi ñược ở pic tín hiệu là hàm của KD và vì thế nó cung cấp thông tin ñịnh tính về mẫu giống như thế bán sóng trong cực phổ, và sẽ nhận biết ñược một hợp phần trong mẫu.

Thông tin ñịnh lượng từ sắc ñồ ñược rút ta từ chỗ tín hiệu detectơ là hàm của thời gian. Diện tích dưới pic tỉ lệ với lượng chất phân tích. Lượng này có thể biểu thị bằng ñơn vị mol hoặc ñơn vị khối lượng, tuy nhiên hằng số tỉ lệ sẽ khác nhau:

56

S A = diện tích dưới pic = R A

Trong ñó: R là diện tích trên một mol khi A ñược biểu thị bằng mol, R là diện tích trên một gam khi A biểu thị bằng gam.

Hình 5.5. Sắc ñồ của hỗn hợp chứa các chất cần phân tích A và B

a - nồng ñộ là hàm lượng rửa giải; b- tín hiệu hàm của thời gian

Nð - nồng ñộ chất cần phân tích (mmol/ml)

5.5. Tách chiết các chất ô nhiễm hữu cơ và làm sạch mẫu

a. Tách chiết mẫu:

Các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước, ñất, trầm tích, nước cống rãnh, chất thải rắn và các vật liệu khác phải ñược chiết tách bằng dung môi hữu cơ thích hợp trước khi ñưa vào cột sắc kí (GC). Các chất chiết rút này ñồng thời cũng làm tăng nồng ñộ các chất cần phân tích theo các giá trị ppb hoặc ppt. Phụ thuộc vào bản chất các chất, các kỹ thuật chiết rút khác nhau sẽ ñược sử dụng như sơ ñồ sau ñây:

Nð

0 6 50 55

A B

V2 V1 V3

Vm

VRA

V'RA

VRB V'

RB

WA WB Thể tích

(ml)

Phun mẫu V = 0

0 30 240 260 280

t1 t2 t3

WA WB

t(s)

Phun mẫu, t = 0

tm

tRA

t'RA

tRB

t'RB Tín hiệu

Chiết rút các chất ô nhiễm hữu cơ

Chiết pha rắn

Chiết rút bằng phễu phân tách

Tiếp tục chiết hệ

lỏng-lỏng

Phương pháp Soxhlet

Phương pháp Sóng âm

Tách chiết chất lỏng vượt quá mức tới hạn

Mẫu ðất, chất thải

Chiết hệ lỏng-lỏng

57

- Chiết hệ lỏng - lỏng (liquid-liquid extraction)

Các mẫu nước thường ñược sử dụng các chất lỏng ñể tách chiết (LLE). Thể tích mẫu nước ñược tách chiết nhiều lần bằng chất lỏng (dung môi hữu cơ) không trộn lẫn. Sự lựa chọn các dung môi hữu cơ phải ñáp ứng các yêu cầu sau:

1. Không trộn lẫn với nước.

2. Các chất ô nhiễm hữu cơ phải hòa tan trong dung môi này (khả năng hòa tan của chúng phải lớn hơn trong nước).

3. Tỷ trọng của dung môi này phải lớn hơn nước khi chất chiết rút ñược tách ra trong phễu chiết hoặc một dụng cụ tách chiết liên tục chất lỏng - chất lỏng, ngược lại dung môi phải có tỷ trọng nhỏ hơn nước khi sự tách chiết vi phân trong bình thủy tinh nhỏ.

Phụ thuộc vào sự trộn lẫn của mẫu chất lỏng với dung môi, các chất ô nhiễm sẽ hòa tan vào trong dung môi chiết rút.

Hệ số phân bố sẽ tương ứng tỷ lệ của các chất hòa tan trong dung môi theo các công thức:

P = Cdung môi/ Cnước

Vì P không phụ thuộc vào tỷ lệ thể tích và là hằng số ở nhiệt ñộ nhất ñịnh. Nếu tăng thể tích dung môi chiết rút thì các chất hòa tan vào chúng sẽ tăng lên. Trong trường hợp thể tích dung môi chiết rút không thay ñổi, thì chia nhỏ và chiết nhiều lần cũng sẽ tăng hiệu quả của quá trình tách chiết. Ví dụ như tách chiết các chất bán bay hơi hữu cơ sẽ có hiệu quả cao hơn khi sử dụng chiết rút ba lần với 60 ml metylen clorua so với chiết 1 lần bằng 180 ml.

- Chiết rút pha rắn (solid phase extraction)

Các chất hữu cơ có thể ñược tách chiết từ chất lỏng bằng cách tách chiết chất lỏng - chất rắn. Qua trình này rất ñơn giản, nhanh chóng và rẻ hơn LLE. Phương pháp này cần lấy một thể tích ñã biết chất lỏng cho chảy qua một ống có chứa các chất hấp phụ thích hợp, các chất ô nhiễm hữu cơ trong mẫu sẽ ñược hấp phụ trên bề mặt chất rắn hấp phụ, sau ñó ñược giải hấp bằng một chất dung môi thích hợp. Mẫu sẽ ñược cho vào từ phía trên ống hấp phụ và ñiều chỉnh cho tốc ñộ chảy 1-2 giọt/giây. Nếu ống hấp phụ lớn có thể cho tăng tốc dộ chảy. ống sẽ ñược rửa bằng dung môi không phân cực cho các chất phân tích phân cực và ngược lại. Cuối cùng các chất phân tích sẽ ñược giải hấp bằng dung môi thích hợp. Dung môi phân cực sẽ dùng cho chất phân tích phân cực và ngược lại. Mẫu có thể ñược cô ñặc bằng cách làm bay hơi dung môi.

Sự lựa chọn các chất hấp phụ dựa vào tính phân cực của các chất phân tích (bảng 5.1)

Bảng 5.1. Các chất chiết rút pha rắn - Hợp phần không có cực

- Hợp phần có cực trung

Octadecyl (C-18) liên kết với Silic, Octyl (C-8) liên kết với Silic

Phenyl-, ethyl- và cyclohexyl liên kết với Silic

58

bình

- Hợp phần phân cực

Silic, florisil, Silicagen, Cyano-, Diclo-, và nhóm amin liên kết với silic, silicat và nhôm.

Phương pháp này có ưu ñiểm là: nhanh, hiệu quả cao, không cần bước làm giàu mẫu và không ñòi hỏi lượng lớn các dung môi hữu cơ.

Tách chiết Soxhlet (Soxhlet extraction):

Phương pháp này thích hợp cho chiết các chất hữu cơ không bay hơi hoặc bán bay hơi. Mẫu ñược cho vào dụng cụ tách chiết rồi ngâm vào dung môi. Quá trình tách chiết ñược thực hiện nhờ hàng loạt các thao tác bao gồm cả bay hơi và cô ñặc. Chiết rút soxhlet với dung môi florocacbon thường ñược sử dụng ñể tách các hyñro cacbon của dầu mỏ từ ñất, tuy nhiên phương pháp này ít ñược sử dụng vì phương pháp này cần nhiều thời gian và tốn nhiều dung môi.

Tách chiết chất lỏng vượt quá mức tới hạn (surpercritical Fluid Extractiron).

Chất lỏng vượt quá mức tới hạn là các chất nằm trên nhiệt ñộ và áp suất tới hạn. Ví dụ như CO2, NO2 thường sử dụng các chất lỏng vượt quá mức tới hạn ñể tách. Các mẫu rắn ñược ñưa vào bình chiết rồi dùng hệ thống bơm ñể tạo áp suất cao. Chất hữu cơ phân tích sẽ hình thành chất lỏng và tách ra. áp suất sẽ ñược ñiều chỉnh về mức bình thường nhờ các van và chất lỏng vượt quá mức tới hạn này sẽ chuyển thành dạng khí và ñược hấp thụ bằng các dung môi thích hợp như metylenclorua.

Quá trình tách chiết này cũng có thể ñược ñẩy nhanh khi cho thêm một lượng nhỏ các chất ñồng dung môi (như axeton hoặc metanol).

Phương pháp này có ưu ñiểm là nhanh, hiệu quả cao, không cần phải làm giàu mẫu và không ñòi hỏi lượng lớn dung môi hữu cơ.

b. Làm sạch:

Các chất chiết mẫu có thể ñược làm sạch bằng nhiều kỹ thuật khác nhau:

- Sự chia tách axit - bazơ:

Phương pháp này áp dụng ñể phân chia các chất hữu cơ axit hoặc bazơ với chất hữu cơ trung tính. Dung môi sau khi tách chiết mẫu sẽ ñược lắc với nước có tính kiềm. Các chất hữu cơ axit sẽ phân tách trong một lớp nước trong khi các chất hữu cơ axit và trung tính vẫn hòa tan trong dung môi hữu cơ và ñược tách ra. Sau ñó lớp nước sẽ ñược tách ra và axit hóa ñến pH < 2 rồi chiết bằng metylenclorua. Lớp hữu cơ lúc này sẽ chứa các thành phần có tính axit. Các chất phenol, clorophenoxy axit, thuốc diệt cỏ và các chất hữu cơ bán bay hơi sẽ ñược bay hơi làm sạch bằng phương pháp này.

- Làm sạch bằng cột nhôm:

Oxit nhôm ở dạng hạt xốp có khả năng tồn tại trong môi trường axit, trung tính và kiềm ñược sử dụng trong cột sắc kí. Các chất phân tích ñược chia tách nhờ tính chất phân cực hóa học khác nhau của chúng. Cột ñược nhồi ñầy bằng nhôm, sau ñó phủ lên trên bằng Na2SO4 khan, chất ñược tách chiết sẽ cho lên trên cùng.

Nhôm ñược chuẩn bị với nhiều mức ñộ hoạt tính khác nhau bằng cách cho thêm nước cho mức ñộ 1 (ñược chuẩn bị bằng cách nung nóng ở t0 > 4000C ñến khi không còn nước thoát ra). Trong các chất ô nhiễm thông thường các este phtalat và

59

nitrozamin sẽ ñược tách ra. Nhôm ở pH = 9 - 10 là hoạt ñộng nhất khi tách các hợp phần kiềm và trung tính như kiềm, ancaloit, steroit, rượu, và các chất màu.

Không sử dụng một số dung môi như axeton hoặc etylaxetat. Các dạng này của nhôm có thể bị polime hóa, tách nước và ngưng tụ.

Các dạng trung tính ít hoạt ñộng hơn dạng bazơ và ñược dùng ñể tách anñehyt, xeton, este và lacton... Dạng axit (pH = 4 - 5) ñược dùng ñể tách chất axit mạnh và các chất màu axit. Cột nhôm cũng ñược dùng ñể tách các chất thải của dầu mỏ.

- Làm sạch bằng silicagen:

Gel silic là một dạng vô ñịnh hình có tính axit yếu, ñược tạo ra bằng cách xử lí axit H2SO4 với natri silicat. Có hai loại gel silic, dạng hoạt hóa (activated form) ñược chuẩn bị bằng cách ñun nóng các gel silic ở 1500C trong vài giờ, dạng này ñược sử dụng ñể tách các hyñrocacbon. Dạng không hoạt hóa (deactivated form) chứa 10 - 20% nước và ñược dùng ñể tách các chất dẻo (plasticcizers), steroit, tecpenoit, ankanoit, glycosit, thuốc nhuộm, mỡ, ñường, este và cation kim loại kiềm. Trong phân tích môi trường, gel silic ñược dùng ñể làm sạch mẫu có chứa các hợp phần thuốc bảo vệ thực vật ñơn giản, PCBs, các hydrocacbon thơm ña nhân, và các hợp chất phenol. Các chất metanol và etanol làm giảm hoạt tính hấp phụ.

- Cột làm sạch Florisil:

Florisil là một dạng magie silicat có tính axit, ñược dùng ñể làm sạch mẫu chiết có chứa các chất bảo vệ thực vật có gắn clo, photpho, các este phthalat, nitrozamin, các haloete, các vòng thơm chứa nitơ và các hydrocacbon chứa clo. Florisil cũng ñược dùng ñể tách các chất vòng thơm từ hỗn hợp các chất béo và nhân thơm cũng như tách este, xeton, glycosit, steroit, ankanoit và một số hydratcacbon. Nó cũng tách ñược các hợp phần nitơ từ các hydrocacbon.

Cột sẽ ñược nhồi ñầy florisil, phủ lên trên bằng Na2SO4 khan. Các dung môi thích hợp sẽ ñược cho ñi qua cột. Các chất cản trở sẽ ñược giữ lại trong cột.

- Làm sạch bằng gel thấm lọc (gel permeation clean up):

Sự làm sạch này dựa trên cơ sở kích thước của các màng xốp và của các keo kị nước. Các lỗ hổng phải lớn hơn kích thước phân tử cần ñược tách.

Sự làm sạch bằng gel thấm lọc (GPS) ñược sử dụng ñể làm sạch các mẫu chiết rút từ các phân tử tổng hợp phân tử lớn, các chất dẻo polyme, protein, mỡ, steroit, virut, nhựa tự nhiên và các hợp chất cao phân tử khác. Metylenclorua ñược sử dụng làm dung môi cho sự tách chiết. Cho 5 ml chất lỏng chiết rút lên cột GPC. Các chất phân tích sẽ ñược tách ra trong các dung môi thích hợp và ñược làm giàu ñể phân tích.

- Làm sạch lưu huỳnh (Sulfua clean up):

Lưu huỳnh có trong nhiều loại chất thải công nghiệp, tảo biển, các mẫu phân tích. Lưu huỳnh thường gây cản trở quá trình phân tích, làm trùng lấp các phổ của nhiều chất. Chẳng hạn khi phân tích thuốc trừ sâu, lưu huỳnh có thể che lấp nhiều chất như lindan, andrin và heptaclo. Lưu huỳnh cũng có khả năng hòa tan tương tự như các thuốc trừ sâu cơ clo và cơ photpho và không có khả năng tách bằng phương pháp Florosil.

60

Loại bỏ lưu huỳnh bằng cách xử lí mẫu chiết với một trong các chất sau: ñồng, thủy ngân hoặc natri-amoni-tetrabutyl sunfat.

- Làm sạch bằng axit sunfuric-pemanganat (pemanagnate sulfuric acid clean up):

Các chất cản trở trong mẫu chiết có thể ñược loại trừ bằng chất oxi hóa mạnh như KMnO4 hoặc H2SO4 ñặc hoặc hỗn hợp cả hai hợp chất này. Trong mỗi trường hợp trên, chất phân tích phải bền vững hóa học với các chất oxi hoá. Ví dụ chất cản trở phân tích polyclorinat biphenyl có thể bị loại trừ với một lượng nhỏ KMnO4 - H2SO4. PCBs - bền hóa học với ñiều kiện này và không phản ứng với hỗn hợp axit - pemanganat trong thời gian tiếp xúc ngắn như vậy.

5.6. Phân tích chất ô nhiễm hữu cơ bằng sắc kí khí

Sắc kí khí (GC - Gas chromatography) là kỹ thuật phổ biến trong phân tích ñịnh lượng các chất ô nhiễm hữu cơ trong các mẫu nước cũng như các chất không ở dạng lỏng. Trong phân tích môi trường, ñòi hỏi phải phân tích nhiều chất có hàm lượng rất nhỏ, dạng vết. Sự phát hiện ở nồng ñộ thấp có thể thực hiện thông qua việc làm sạch các chất và làm giàu mẫu.

Các mẫu nước chứa các chất hữu cơ bay hơi có thể phân tích trực tiếp bằng GC (không cần các bước tách chiết mẫu). ðối với mẫu ñất và chất thải rắn thì cần thiết phải ñược chiết rút bằng một dung môi nào ñó. ðiều quan trọng là cần phải biết ñược chất cần xác ñịnh và một số tính chất lý hóa học của nó, như cấu trúc các nhóm chức, thành phần nguyên tố, tính phân cực, trọng lượng phân tử, ñiểm sôi, ñộ bền nhiệt. ðiều này sẽ giúp ích nhiều cho quá trình phân tích. Sau khi biết ñược các tính chất này sẽ rất dễ dàng tiến hành phân tích sắc kí khí của một hỗn hợp nhiều thành phần bằng cách lựa chọn các cột và các máy ño thích hợp.

- Lựa chọn cột phân tích

Hiệu quả của một cột sắc kí trong việc phân tích các hợp phần hữu cơ phụ thuộc vào ñặc ñiểm cấu tạo của nó và tính phân cực của các phân tử chất xác ñịnh. Vì vậy tính phân cực của cột sắc kí là tính chất quan trọng khi lựa chọn các cột khác nhau. Các cột không phân cực sẽ có hiệu quả nhất khi phân tách các phân tử không phân cực, các cột phân cực ñược sử dụng ñể phân tích các hợp phần có tính phân cực. Các hydrocacbon béo có chứa liên kết ñơn C-H thuộc nhóm không phân cực trong khi chúng chứa các liên kết ñôi C = C như olephin và chất thơm là những chất có cực. Ngược lại các chất hữu cơ có chứa oxi, nitơ, lưu huỳnh, phôtpho hoặc nguyên tử halogen sẽ có tính phân cực lớn hơn. Ví dụ như axit cacboxylic, xeton, aldehyt, ester, rượu, ete, amin, chất thơm chứa nitơ, nitroamin, nitril, halocacbon, PCBs và photphat hữu cơ. Vì vậy cột ít phân cực sẽ ñược lựa chọn ñể kéo dài sự bền vững của cột.

Bảng 5.2. Tính phân cực của pha tĩnh GC thường dùng Tính phân cực PHA TĨNH Ví dụ

Không phân cực Phân cực yếu

Polyñimetylsiloxan Polyphenylmetylsiloxan Polyphenylmetylsiloxan

AT-1; BP-1; DC-200; SPB-1; ULTRA-1 AT-5; BP-5; DB-5; RSL-200; ULTRA-2 AT-20; BP-10; DB-17;

61

Phân cực Phân cực mạnh (axit)

Polyxianopropylphenylñi-metylpolysiloxan Polyxianopropylphenyl-metylsiloxan Polytrifloropropylsiloxan Polyphenylxianopropyl-metylsiloxan Polyetylenglycol Estepolyetylenglycol

RSL-300; SPB-20 AT-1301; DB-1301; Rtx-1301 AT-1701; GB-1701; RTX-1701; SPB-1701 AT-210; DB-210; RSL-400; SP-2401 AT-225; HP-225; OV-225; RSL-500 AT-WAX,BP-20; CP/WAX-51; HP-20M; Superox-II AT-1000; OV-351, SP-1000; Superox FA

Các cột mao quản ñược làm bằng SiO2 (Silica) có tính trơ và hiệu quả tốt trong phân tích sắc kí. ðôi khi cũng có thể sử dụng cột mao quản bằng thủy tinh hoặc thép không rỉ.

ðường kính trong của cột là một yếu tố quan trọng ñể phát hiện và tách các hợp phần khác nhau. Những cột hình ống hẹp có ñường kính trong (ID) là 0,20 - 0,25 và 0,32 mm sẽ có khả năng phân tích tốt nhất các hợp phần tương tự và các chất ñồng phân. Các ID càng nhỏ thì khả năng phân tách càng lớn. Tuy nhiên, nếu ID càng nhỏ thì dung tích mẫu lấy cũng càng nhỏ. Các ID lớn hơn như kích thước 0,53 và 0,75 mm có khả năng phân tách thấp. Tuy nhiên các ID lớn lại ñược xem là thích hợp hơn cho phép phân tích các mẫu môi trường vì mẫu thường chứa các chất ô nhiễm ở nồng ñộ khá cao. Hơn nữa các cột có ID lớn (0,53 - 0,75 mm) cũng có ñủ ñộ nhạy ñể phân tích các chất có hàm lượng nhỏ.

Dung tích mẫu của cột có thể tăng lên bằng cách tăng chế ñộ nhiệt. ðiều này phụ thuộc vào tính phân cực của các chất phân tích và của cột sắc kí - các cột phân cực sẽ có khả năng cao với các chất phân cực, trong khi các cột không phân cực lại có khả năng cao với các chất không phân cực.

Các cột sắc kí có thể ñược phủ một lớp chất không hoạt ñộng lí học hoặc hóa học. Khi ñược phủ chất không hoạt ñộng về lí học, cột ñược gọi là cột không liên kết. Còn khi ñược làm cho mất hoạt tính hóa học ñược gọi là cột ñược liên kết. Loại cột liên kết hóa học này thường ñược dùng nhiều hơn vì có thể sử dụng ở nhiệt ñộ cao mà ít bị phá hủy, và có thể ngâm trong các dung môi ñể loại bỏ các chất không bay hơi bám vào thành cột.

ðộ dày của màng của cột sắc kí cũng là ñặc ñiểm cần chú ý khi lựa chọn cột. Màng dày sẽ tăng khả năng phân tích của các cột không phân cực và khả năng duy trì các chất phân tích.Vì vậy, nó vừa có ưu ñiểm ñồng thời cũng có nhược ñiểm khi phân tích mẫu. Thường sử dụng các màng dày (> 1µm) ñể phân tích khí hoặc phân tích các mẫu có nồng ñộ cao. Mặt khác, các màng mỏng (< 0,25µm) thường ñược dùng ñể phân tích các chất có ñiểm sôi cao (> 3000C) và dùng cho các cột ngắn hơn 10 - 15 m.

62

Quan hệ giữa ñộ dày của màng và ID của cột sắc kí có thể ñược biểu diễn thông qua phương trình sau:

β =

Các cột sắc kí có giá trị β tương tự nhau sẽ có khả năng phân tách giống nhau trong cùng một ñiều kiện phân tích. Ví dụ như 1 cột sắc kí có ID là 0,32 µm và ñộ dày là 0,8 µm sẽ có thể thay tương ñương cho cột có ID là 0,53 µm và có ñộ dày màng là 1,3 µm. ðộ dày màng tiêu chuẩn (0,25 - 0,8 µm) sẽ có khả năng phân tích với hầu hết các chất hóa học.

Hiệu quả phân tách các chất gần giống nhau sẽ ñược tăng lên ở các cột có chiều dài lớn hơn. Tuy nhiên, ở cột có chiều dài lớn hơn sẽ ñòi hỏi thời gian phân tích lâu hơn và tăng khả năng giữ mẫu. Như ñã phân tích ở trên, khả năng phân tích sẽ là tốt hơn khi các cột có ID nhỏ hơn. Vì vậy ở chiều dài cột và kích thước ID thích hợp nhất sẽ cho khả năng phân tách tốt nhất các chất trong mẫu phân tích trong khoảng thời gian mong muốn.

- ðetectơ: sự lựa chọn các ñetectơ là yếu tố quan trọng nhất trong phân tích. ñetectơ ion hóa ngọn lửa FID (Flame Ionization ñetectơ) ñược sử dụng cho tất cả các mục ñích phân tích. Giới hạn của phép phân tích tương ñối cao, ñặc biệt là TCD và thường ñược dùng cho phân tích khí.

Khi sử dụng FID, các mẫu nước có thể ñược xác ñịnh trực tiếp mà không cần phải tách chiết. Khi áp dụng các bước tách chiết thích hợp, các hợp chất hữu cơ trong nước, chất rắn và trong không khí ñều có thể ñược xác ñịnh ngay khi chúng có hàm lượng thấp. Cacbon disunfit ñược dùng phổ biến trong phân tích nhiều chất hữu cơ trong không khí bằng GC-FID.

ðetectơ riêng cho các chất halogen (Halogen specific ñetectơ), chẳng hạn như ñetectơ bắt ñiện tử (Electron capture ñetectơ, ECD), ñetectơ ñộ dẫn ñiện phân...(Hail electrolytic conductivity ñetectơ, HECD) cho kết quả tốt ñối với các hợp phần chứa nguyên tử halogen. Hầu hết các chất hữu cơ chứa nitơ ñều có thể ñược xác ñịnh bằng ñetectơ photpho - nitơ (Nitrogen Photphorus ñetectơ, NPD) trong chức năng ño nitơ (nitrogen mode), các hợp chất photpho hữu cơ sẽ sử dụng chức năng ño photpho (Photphorus mode). ðetectơ quang kế ngọn lửa (Flame photometric ñetectơ, FPD) cũng có hiệu quả tương tự ñể xác ñịnh các hợp phần chứa photpho. Tuy nhiên FPD ñược sử dụng phổ biến ñể ño các chất hữu cơ chứa lưu huỳnh. ðetectơ quang ion hóa (Photoionization ñetectơ, PID) là nhạy với các chất chứa liên kết nối ñôi C = C như các vòng thơm và olephin, cũng như các sản phẩm thay thế của chúng.

- ðường chuẩn (calibration curve):

Trước khi phân tích mẫu, cần thiết phải xây dựng một ñường chuẩn với ít nhất là 4 chất chuẩn. Có hai cách xây dựng ñường chuẩn: phương pháp ñường chuẩn ngoài (External standard method) và phương pháp ñường chuẩn trong (Internal standard method).

Bán kính cột (µm)

2 x ñộ dày của màng (µm)

63

Phương pháp ñường chuẩn ngoài là xây dựng một ñường chuẩn dựa trên diện tích hoặc chiều cao ñồ thị tương ứng với các nồng ñộ phân tích ñã biết. Các yếu tố ñường chuẩn ñược tính toán dựa trên tỷ số giữa nồng ñộ với diện tích hoặc chiều cao và ñược giữ cố ñịnh (constant) trên một phạm vi của nồng ñộ. ðể xác ñịnh nồng ñộ của chất phân tích, giá trị ño ñược của mẫu sẽ ñược so sánh với các giá trị của ñồ thị chuẩn trong phạm vi ñã xây dựng. Hoặc giá trị trung bình của tỷ lệ ñược tính toán sẽ ñược so sánh với giá trị ño mẫu. Một ñường chuẩn ñơn ñiểm có thể ñược sử dụng nếu diện tích hoặc chiều cao ño ñược của chất phân tích nằm trong phạm vi ± 20% so với chất chuẩn.

Phương pháp ñường chuẩn trong ñược sử dụng thích hợp hơn phương pháp ñường chuẩn ngoài. Những lượng bằng nhau của một hoặc nhiều chất chuẩn trong (Internal standard) ñược cho vào những thể tích như nhau của chất chiết rút. Các kết quả ño ñược (response factor - RF) sẽ ñược tính toán như sau:

RF = As . Cs/Ais . Cis

Trong ñó: As và Ais: là diện tích (hoặc chiều cao) ño ñược ở mẫu và chất chuẩn trong (Internal standard).

Cs và Cis là các nồng ñộ tương ứng của chúng.

Do vậy, RF của các chất phân tích có thể ñược xác ñịnh thông qua các chất chuẩn chứa chất chuẩn trong. Nếu giá trị RF vượt qua phạm vi ñã ñược xác ñịnh của chất chuẩn trong vòng ± 20%, khi ñó ñể sử dụng một giá trị trung bình RF trong phương trình trên ñể xác ñịnh hàm lượng của chất phân tích trong mẫu. Một cách khác, một ñường chuẩn ñược xác ñịnh giữa các giá trị tỷ số As/Ais với RF.

Nồng ñộ chất phân tích trong mẫu sẽ bằng:

As.Cis.D/Ais.RF

Trong ñó: D là hệ số pha loãng

ðối với chất lỏng, nồng ñộ của chất phân tích thường biểu diễn dưới dạng µg/l.

- Tính toán:

ðường chuẩn ngoài (External standard calibration):

Diện tích hoặc chiều cao ño ñược so sánh với ñường chuẩn hoặc từ các yếu tố ñường chuẩn:

Nồng ñộ (µg/l) = Aunk . Qstd . Vtot. D/ astd . Vijn. Vsample

Trong ñó:

Aunk : Diện tích hoặc chiều cao ño ñược của chất phân tích

Qstd : Lượng tiêu chuẩn ñược xác ñịnh (ng)

Vtot : Thể tích tổng dung dịch chiết rút (l)

D : Hệ số pha loãng

Astd : Diện tích hoặc chiều cao ño ñược của chất chuẩn

Vijn : Thể tích chất chết rút ñược ñem ño (l)

Vsample : Thể tích mẫu ñược chiết rút (ml)

64

ðối với các mẫu chất rắn, hàm lượng của chất phân tích cũng ñược tính tương tự, trừ giá trị khối lượng mẫu W sẽ thay thế cho thể tích mẫu V.

Do vậy:

Hàm lượng (mg/kg) = Aunk . Qstd . Vtot. D/ astd . Vijn. W

Hàm lượng ñược tính như trên dùng cho mẫu ở trạng thái phân tích (không phải ở dạng mẫu khô kiệt). Hàm lượng ñược chuyển sang chất khô bằng cách nhân kết quả này với % chất khô.

Ví dụ: Lấy 50 ml mẫu nước chiết bằng 2 ml hexan. Một thể tích chất chiết rút và chất chuẩn ñược ñem xác ñịnh là 4 ml, với nồng ñộ là 50 g/l. Diện tích ño ñược của chất phân tích trong chất chiết rút mẫu và dung dịch chất chuẩn tương ứng là 28,500 và 24,800. Xác ñịnh nồng ñộ của chất phân tích trong mẫu.

A = 28,500

A = 24,800

Q = 4ml x 50 g/1l x 1 l/ 1000000 l x 1000 mg/1 g = 0,2 ng

V = 2 ml x 1000 l¼½¾ml = 2000 l

V = 4 l V = 500 ml

D = 1, chất chiết rút không ñược pha loãng.

Nồng ñộ của chất phân tích trong mẫu là:

Một cách tính khác: Khi một chất chiết rút từ mẫu và chất chuẩn ñược ñưa vào xác ñịnh trong cột sắc kí là bằng nhau (4l), nồng ñộ của chất phân tích trong mẫu có thể ñược tính theo một cách ñơn giản như sau:

Nồng ñộ của chất phân tích (g/l) = Nồng ñộ ño ñược (trong chất chiết rút) ñược xác ñịnh từ ñường chuẩn:

mg/l x ml chiết rút/ ml mẫu x D

Trong ví dụ trên, nồng ñộ của chất phân tích trong chất chiết rút là:

28,500/24,800 x 50g/l = 57,5 g/l

Như vậy, nồng ñộ chất phân tích trong mẫu là:

57,5 g/l x 2 ml/500 ml x 1 = 0,23 g/l

Phương pháp tiêu chuẩn trong (Internal standard method).

Nồng ñộ chất phân tích ñược xác ñịnh từ RF bằng cách sử dụng công thức sau:

28,500 x 0,2ng x 2000 ml x 1

24,800 x 4 ml x 500 ml = 0,23 ng/ ml = 0,23 mg/l

C = A x C

A x RF

65

5.7. Phân tích dư lượng hóa chất bảo vệ thực vật

5.7.1. Nhóm Cacbamat, Ure và Triazin MỘT SỐ LƯỢNG LỚN CÁC LOẠI THUỐC BẢO VỆ THỰC VẬT

(PESTICIDES) THUỘC NHÓM CACBAMAT CÓ CHỨA CHỨC URE HAY VÒNG TRIAZIN. CÁC CHẤT NÀY BAO GỒM 3 LOẠI PHỔ BIẾN DỰA THEO CẤU

TRÚC LÀ:

R1

R2

N - C - O - (nhãm thay thÕ)

O

O

N - C - N (nhãm thay thÕ)R2

R1

N

N N

Trong ñó, R1 và R2 là các nhóm alkyl hoặc các nhóm aryl, hoặc nguyên tử hidro.

Các chất chứa nhóm metyl có gắn N còn ñược gọi là cacbamat metyl nitơ. Khi một hoặc cả hai nguyên tử oxy ñược thay thế bằng S thì ñược gọi là thiocacbamat. Triazin là vòng chứa 3 nguyên tử N, các loại hợp chất thuộc nhóm này có thể ñược phân tích bằng các kỹ thuật GC, GC/MS hoặc HPLC.

- Thuốc bảo vệ thực vật cacbamat:

+ ðối với các hợp chất này tốt nhất là sử dụng kỹ thuật phân tích HPLC. Các hợp phần của chúng ñược phân tích trên cột phân tích C18, sau ñó ñược thủy phân bằng NaOH 0,05N. Lúc này cacbamat ñược chuyển thành các metylamin, các chất này sẽ phản ứng với σ-phthaladehyt và 2-mecaptoetanol ñể hình thành dạng dẫn suất huỳnh quang (fluorecent derivatives). Các chất dẫn xuất này ñược xác ñịnh bằng máy ño huỳnh quang. Dung dịch phản ứng σ-phthaladehyt trong metanol ñến 10 ml gồm axetonnitrit có chứa 100 µl 2-mecaptoetanol, sau ñó pha loãng ñến 1000 ml bằng dung dịch natriborat 0,05N.

+ Chiết rút mẫu: Các mẫu nước sạch có thể sử dụng ñể ño trực tiếp. Thông thường cần 200 - 400 µl. Các mẫu nước thải có thể ñược chiết bằng metylen clorua. Các chất rắn như ñất, trầm tích, chất thải rắn, bùn, dầu... ñược chiết bằng axetonnitrit. Các chất rắn và bùn ñược sấy khô ở 1050C, sau ñó sử dụng axetonnitrit ñể chiết. Hỗn hợp ñược lắc ít nhất một giờ bằng máy lắc phẳng. Dầu và chất thải chứa dầu thường ñược chiết bằng hỗn hợp hexan và axetonnitrit trong vài giờ.

Với các mẫu ô nhiễm nặng và bẩn có thể làm sạch bằng cách xử lý dịch chiết với 20 ml etylen glycol và cho bay hơi dung dịch trong nước ở nhiệt ñộ 50 - 600C. Phần etylen glycol còn lại ñược kết hợp với khoảng vài ml metanol. Hỗn hợp này ñược ñưa qua cột C18 và phân tích bằng HPLC.

Cacbamat

Ure

Triazin

66

- Thuốc bảo vệ thực vật Ure (Urea pesticides):

Tương tự như cacbamat các chất thuộc nhóm này có thể xác ñịnh nhờ HPLC. Các mẫu chất lỏng ñược chiết rút bằng metylen clorua, dịch chiết rút ñược làm giàu bằng cách làm bay hơi bớt metylen clorua và thay dung môi bằng metanol. Các chất rắn ñược chiết bằng amoniacetat (0,8g/l), và sử dụng chất hấp phụ ñã có sẵn trong cột C18. Sau ñó sử dụng metanol ñể hòa tan các hóa chất bảo vệ thực vật, rồi làm giàu bằng cách cho bay hơi. Mẫu ñược tách chiết trong vòng 7 ngày, và ñược giữ ở dưới 00C, phân tích trong vòng 3 tuần. Dịch chiết sau ñó ñược ñưa vào xác ñịnh trên máy HPLC.

- Triazin:

ðây là thuốc trừ cỏ có thể xác ñịnh bằng nhiều phương pháp khác nhau như HPLC, GC và GC/MS.

5.7.2. Thuốc bảo vệ thực vật nhóm cơ clo (organochlorine pesticides) Thuốc trừ sâu cơ clo bao gồm các loại chất hữu cơ có gắn clo ñược sử dụng làm

thuốc trừ sâu. Chúng có thể ñược xác ñịnh bằng các phương pháp như GC-BCD hay GC/MS.

Chiết rút mẫu:

Mẫu chất lỏng ñược chiết bằng hexan hoặc metylen clorua. Chất lỏng cũng có thể ñược chiết bằng cách sử dụng cột C18.

Nếu chất chiết rút ñược xác ñịnh bằng GC/MS, dung môi có thể là metylen clorit hoặc hexan. Nếu xác ñịnh bằng GC-ECD thì sử dụng dung môi không chứa clo như hexan hay isooctan. ðất, trầm tích và chất thải rắn ñược chiết rút bằng phương pháp soxhlet với các dung môi như trên. Mẫu nên ñược trộn với Na2SO4 khan trước khi chiết. Dung dịch chiết cần ñược làm sạch ñể loại bỏ các tạp chất gây cản trở trong khi xác ñịnh.

ðối với mẫu không khí, các chất này có thể ñược xác ñịnh bằng phương pháp NiOSH và US-EPA. Không khí ñược cho qua một cột hấp phụ có chứa bột polyuretan hoặc cromosorb 102. Thuốc bảo vệ thực vật (BVTV) ñược chiết ra bằng dung môi hữu cơ như toluen, hexan hoặc dietyl ete, sau ñó xác ñịnh bằng GC - ECD. Dịch chiết có thể cần thiết phải làm sạch bằng florisil ñể loại trừ chất làm nhiễu.

5.7.3. Thuốc bảo vệ thực vật nhóm cơ photpho (organophosphorus pesticides)

CÁC CHẤT CƠ PHOTPHO CÓ CẤU TẠO CHUNG NHƯ SAU: RO

RO

P-O (hoÆc S) - (nhãm thay thÕ)

O (hoÆc S)

TRONG ðÓ R LÀ NHÓM ANKYL HOẶC ARYL. NHÓM THAY THẾ CÓ

THỂ LÀ BẤT KỲ MỘT LOẠI HỮU CƠ NÀO MÀ CÓ THỂ BỊ TÁCH RA KHỎI LIÊN KẾT VỚI OXY HOẶC SUNPHUA. HAI LOẠI ðIỂN HÌNH LÀ:

67

C H 3 O

C H 3 O

P - O - C = C H C - O C H 3

O C H 3 O

C2H5O

C2H5O

P - O - NO2

S

(parathion)

- Phân tích mẫu chất lỏng và chất rắn:

Phương pháp thường ñược sử dụng ñể phân tích các thuốc trừ sâu cơ photpho là GC và GC/MS hoặc HPLC. Tuy nhiên, chưa có các nghiên cứu hệ thống về ñộ chính xác và mức ñộ tin cậy của phương pháp HPLC. ðetectơ ñược sử dụng trong phương pháp GC là nitơ - photpho ñetectơ (NPD-nitrogen phosphorus ñetectơ), hoặc ñetectơ quang kế ngọn lửa (FPD - Flame Photometric ñetectơ). Do vậy, bất kỳ loại hóa chất bảo vệ thực vật nào ñược xác ñịnh bằng GC-NPD hoặc GC-FPD ñều phải sử dụng các cột mao quản thích hợp. Các ñetectơ halogen, như ño ñộ dẫn ñiện hoặc ñetectơ vi ñiện lượng có thể sử dụng trong phân tích GC chỉ cho các chất bảo vệ thực vật chứa nguyên tử halogen.

Các mẫu chất lỏng ñược chiết bằng metylen clorua. Mẫu chất rắn ñược chiết bằng metylen clorit - axeton (1:1) bằng soxhlet hoặc sóng âm (sonication). Chất chiết metylen clorit cuối cùng phải ñược chuyển sạnh hexan hoặc iso octan hoặc metyl - tert - butyl ete. Dung môi sau nên ñược hỗn hợp với axeton trong khi chuyển ñổi dung môi. Chất chiết rút có thể ñược làm sạch bằng florisil. Sau ñó ñem xác ñịnh trên máy GC hoặc GC/MS.

- Phân tích mẫu không khí:

Các loại thuốc bảo vệ thực vật trong không khí ñược giữ lại bởi các bộ phận lọc khác nhau, như cromosorb 102, este xenlulo, XAD-2, màng PTPE (1µm), hoặc màng lọc sợi thủy tinh. Sau ñó dùng dung môi ñể tách, thường là toluen hoặc các dung môi hữu cơ thích hợp. Chất chiết rút ñược xác ñịnh bằng GC (sử dụng NPD hoặc FPD) hoặc GC/MS.

5.8. Sắc kí ion (IC)

Sắc kí ion ra ñời năm 1975 và ñược phát triển rất nhanh. ðây là một phương pháp phân tích công cụ ñơn giản ñược sử dụng rộng rãi ñể xác ñịnh liên tiếp nhiều anion phổ biến trong môi trường. Các anion như NO3

-, NO2-, PO4

3-, SO42-, SO3

2-, F-, Cl-, Br-, I-, halogenoxi, nhiều ion của axit hữu cơ...ñược xác ñịnh nhanh chóng qua một bước phân tích ñơn giản, liên tiếp. Các ưu ñiểm chính của phương pháp là:

- Có thể xác ñịnh ñược một vài anion trong cùng một phép phân tích.

- Phân biệt ñược các halogen (Br-, Cl-...) và các anion ở trạng thái oxi hóa khác nhau (NO3

-, NO2-, SO4

2-, SO32-...); các anion này thường ảnh hưởng lẫn nhau trong

phương pháp phân tích nước.

- ðơn giản và nhanh chóng.

(mevinphos)

68

Phương pháp này bao gồm việc tách sắc kí các chất phân tích tan trong nước và phát hiện các ion ñã tách bằng một ñetectơ ño ñộ dẫn ñiện. Phương pháp này cũng có thể sử dụng ñể phân tích các halogenoxi như peclorat (ClO4

-) hoặc hypoclorit (ClO-) các axit hữu cơ yếu, ion kim loại và các aminankyl. Các chất phân tích có thể xác ñịnh bằng phương pháp sắc kí ion ñược trình bày ở bảng sau:

Bảng 5.3. áp dụng các phương pháp sắc kí ion trong phân tích môi trường Chất phân tích Công thức / Ví dụ

Các anion vô cơ phổ biến F-, Cl-, Br-, I-, NO3-, NO2

-, PO43-, SO4

2-, SO32-,

CO32-, PO3

3-, HPO42-, CNO-

Halogenoxi ClO4-, ClO3

-, ClO2-, ClO-, BrO4

-, BrO3-, IO4

-, IO3-

Pyrophotphat, polyphotphat và metaphotphat

P2O74-, P3O10

5-, P4O136-, P2O6

2-

Thiosunfat và thioxianat S2O32-, SCN-,

Các anion vô cơ khác nhau CrO42-, BO3

3-, AsO43-, SeO4

2-, SeO32-, MnO4

2-, WO4

2

Ion kim loại (kim loại kiềm và kiềm thổ)

Li+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+

Ion kim loại chuyển tiếp phổ biến (a)

Fe2+, Zn2+, Cu2+, Mn2+, Ni2+

Ion amoni NH4+

Crôm hóa trị 6 Cr6+ (b)

Xyanua CN- (c)

Các anion hữu cơ của dạng axit cacboxylic

Axetat, fomat, oxalat, maleat, phtalat, tatrat

Các axit hữu cơ sunfonat Benzen sunfonat, p-toluen sunfonat

Axit clophenoxi và thuốc diệt cỏ 2:4-D, silvex, 2,4,5-T

Các amin Etylamin, trimetylamin, isobutylamin, mopholin, xyclohexylamin

Chú thích:

a: Sau khi ra khỏi cột, tiến hành phản ứng, xác ñịnh bằng tia UV ở bước sóng 530 nm. Dung môi rửa giải là: pyridin-2,6-axit ñicacboxylic.

b: Sau khi qua cột thực hiện phản ứng so màu và xác ñịnh trắc quang, cũng có thể xác ñịnh bằng sắc kí ion với cột ức chế hóa học, sử dụng ñetectơ ño ñộ dẫn ñiện.

c: Phân hủy axit sau khi tiến hành sắc kí ion với cột ức chế hóa học

Mẫu ở dạng dung dịch ñược bơm vào dòng dung môi rửa giải cacbonat/ bicacbonat. Dung môi rửa giải ñược bơm qua cột trao ñổi ion (cột chứa các hạt nhựa trao ñổi ion). Các ion trong mẫu có ái lực với các hạt nhựa khác nhau, do vậy chúng chuyển ñộng qua cột với các tốc ñộ khác nhau, như thế chúng ñược tách ra. ðể phân tích các anion trong mẫu người ta sử dụng một bazơ có khả năng trao ñổi anion yếu. Dung môi rửa giải và các anion ñã tách ñược ñưa qua một cột ức chế, là một tác nhân

69

trao ñổi cation có tính axit mạnh nhằm làm giảm ñộ dẫn ñiện của dung môi rửa giải ñể tăng cường khả năng phát hiện các ion trong mẫu. Khi ñó các ion ñã tách sẽ chuyển sang dạng axit có tính dẫn ñiện cao hơn (ví dụ: NO3

- chuyển thành HNO3) và ñược xác ñịnh bằng detectơ ño ñộ dẫn ñiện. Các ion ñược xác ñịnh bằng thời gian lưu và ñược ñịnh lượng bằng cách so sánh chiều cao của pic/ diện tích pic với các chất chuẩn. Phép ño ñộ dẫn ñiện có ñộ nhạy cao và là cách xác ñịnh ñặc trưng cho cả các ion hữu cơ và vô cơ.

ðộ nhạy và khả năng xác ñịnh của các ion phân tích sẽ tăng ñáng kể nhờ kỹ thuật ức chế hóa học và tự ức chế (Dionex, 1995). Trong ức chế hóa học người ta dùng phản ứng hóa học ñể làm giảm nồng ñộ của các phần tử dẫn ñiện trong pha ñộng. Khái niệm này có thể ñược hiểu rõ hơn qua một ví dụ sau: Giả sử có một hỗn hợp anion cần phân tích, hỗn hợp ñược tách trên một cột phân tích chứa nhựa trao ñổi ion ở dạng HCO3

-. Phản ứng trao ñổi là:

R-HCO3 + X- + Na+ R - X + HCO3- + Na+

Vì nhựa là chất trao ñổi anion nên Na+ không tham gia vào quá trình nhưng ñược viết vào phương trình ñể trung hòa ñiện tích. Dung dịch NaHCO3 thu ñược sẽ ra khỏi cột và ñi vào cột ức chế - là bộ trao ñổi cation ở dạng H+. Phản ứng trao ñổi sau sẽ xảy ra:

R - H + Na+ + HCO3- R - Na + H2CO3

Khi dung dịch ñược rửa giải tách ra từ cột ức chế sẽ có chứa axit cacbonic không ion hóa (CO2 tan trong H2O) nên có tính dẫn ñiện nhỏ. Tín hiệu gần như bằng không. Nhưng khi X- ñược rửa giải từ cột tách ra thì nước giải hấp có chứa NaX và sau khi ñi qua cột ức chế sẽ chứa HX (ví dụ HCl nếu là anion Cl-). ðộ dẫn sẽ rất lớn vì HX là một axit khá mạnh (mạnh hơn axit cacbonic).

Dung môi rửa giải ngoài cacbonat và bicacbonat còn có nhiều dung dịch khác ñược sử dụng trong phân tích môi trường. Một số dung môi rửa giải phố biến ñược nêu ở bảng sau (bảng 5.4).

Bảng 5.4. Một số dung môi rửa giải thông thường trong sắc kí iona

Dung môi rửa giải Sử dụng thông thường

Natricacbonat/ natribicacbonat Các anion vô cơ thông thường: F-, Cl-, NO3- và

SO42-

Natrihyñroxyt Các anion vô cơ thông thường: F-, Cl-, NO3- và

SO42; các anion hữu cơ: axetat, xitrat và fumarat

Natritetraborat/axit boric Các anion vô cơ thông thường: F-, NO3-, SO4

2-; haloxi và cacboxylat chẳng hạn như axetat và fomat

Axit metansunfonic Các ion kim loại kiềm và kiềm thổ và có tính kiềm: Na+, K+, Ca2+, NH4

+

Axit metansunfonic/ axetonnitrin

Các ion kim loại kiềm và kiềm thổ và có tính kiềm: Li+, Na+, K+, Mg2+, NH4

+; các ankylamin: metylamin, trietylamin và mopholin

Chú thích:

70

añetectơ: ñộ dẫn ức chế

Dung dịch NaOH ñược sử dụng rất rộng rãi trong nhiều phép phân tích.

Ion Na+ ñược tách khỏi dung môi rửa giải ở cột chất ức chế, và ion H+ (trong dung dịch ñiện phân) kết hợp với ion OH- trong dung môi rửa giải tạo ra H2O có ñộ dẫn ñiện kém hơn dung môi rửa giải NaOH. Như vậy, các ảnh hưởng thực tế là, (1) ñộ dẫn ñiện của dung môi rửa giải nền NaOH giảm, và (2) ñộ dẫn ñiện của các anion phân tích tăng bởi vì chúng ở dạng axit.

Cả hai ảnh hưởng này ñều làm tăng ñáng kể tỷ lệ tín hiệu nhiễu, như vậy làm giảm ngưỡng xác ñịnh và ñộ nhạy.

Sắc kí ion là một phương pháp phân tích thuận tiện nhất ñể xác ñịnh hầu hết các anion vô cơ, bao gồm cả các halogenoxi trong nước sinh hoạt, nước thải và nước rò rỉ từ chất thải rắn. Phương pháp này ñã ñược hội bảo vệ môi trường Mỹ thông qua và trở thành một phương pháp chuẩn (US EPA, 1990 và AWWA, 1993). Một số cột trao ñổi ion ñược sản xuất ñể bán như Ion Pac (Dionex, 1995) hay tương ñương, có thể tách isocratic các anion vô cơ thông thường trong vòng chưa ñến 10 phút khi sử dụng dung môi rửa giải cacbonat/bicacbonat và ñộ nhạy ở mức nhỏ hơn ppm, sử dụng ñetectơ ñộ dẫn ñiện ức chế. Ngoài ra, khi sử dụng ñiều kiện grañien dung dịch và thay ñổi cường ñộ ion lớn gấp hơn hai lần thì nhiều ion bậc 1, 2 và 3 có thể ñược tách ra trong một lần chạy sắc kí. Sắc kí ion grañien kết hợp với ức chế hóa học có thể tránh ñược sự kết hợp dung môi rửa giải và cho phép tách một số lớn các ion vô cơ và hữu cơ. Nhiều axit hữu cơ sunfonat thường có trong nước tách từ khu chôn lấp chất thải nguy hại ñược xác ñịnh bằng sắc kí ion nhờ thay ñổi cả dung môi và cường ñộ ion trong hệ dung môi rửa giải grañien.

ðối với một cột trao ñổi anion, các hạt bao phủ là các nhóm chứa aminankanol bậc 4 hoặc aminankyl bậc 4. Kích thước hạt của hợp chất bao phủ; cấu trúc loại màng mỏng và ñộ liện kết ngang trong ñộ xốp sẽ xác ñịnh ñộ phân giải của anion trong cột (Dionex, 1995). Các cột này ñược nhiều hãng cung cấp bán trên thị trường. Một cột bảo vệ ñược sử dụng ñể bảo vệ cột tách khỏi các chất hữu cơ và các hạt.

71

Bình chứa dung môi rửa giải

Bơm

Phun mẫu

Cột tách

Cột ức chế (khử)

Pin dẫn

Bộ ghi

Máy tính

Giai ñoạn nạp mẫu

Giai ñoạn tách

Giai ñoạn phát hiện

Giai ñoạn ghi số liệu

Hình 5.6. Sơ ñồ sắc kí ion có cột ức chế và phát hiện bằng ñộ dẫn

72

Chương 6. Phương pháp khối phổ Khi cho một chất ở trạng thái khí va trạm với một dòng electron hay photon thì

phân tử chất ñó có thể bật ra 1 hay 2 electron ñể trở thành các ion dương mang ñiện tích 1 hay 2 hoặc phân tử của chất có thể nhận electron ñể trở thành ion âm.

M + e → M+ + 2e

M + e → M2+ + 3e

M + e → M -

Hiện tượng này gọi là hiện tượng ion hóa phân tử. Ngoài ra khi va chạm mạnh hơn thì phân tử còn có thể bị phá vỡ thành nhiều phần khác nhau mang ñiện tích dương hoặc âm, quá trình này gọi là sự phân hóa (fragmentation).

Phương pháp khối phổ dựa trên nguyên tắc chung là tách và ño khối lượng của tất cả các ion này và ghi chúng trên một bản phổ. Sau ñó dựa vào các quy luật chung ñể phân tích thành phần các chất theo bản khối phổ ghi ñược.

Về kỹ thuật, quá trình phân tích khối phổ phải thực hiện qua các bước sau:

Hóa hơi tất cả các mẫu chất phân tích

Ion hóa phân tử

Tách biệt các ion theo khối lượng

Ghi nhận các ion

6.1. Sự hình thành của khối phổ

6.1.1. Sự ion hóa a. Phương pháp ion hóa bằng va chạm electron:

ðây là phương pháp ion hóa phổ biến nhất. Trong buồng ion hóa, các electron phát ra từ catot làm bằng vonfram hoặc reni khi ñốt nóng, sẽ chuyển về anot với vận tốc lớn. Các phân tử chất nghiên cứu ở trạng thái hơi sẽ va chạm với các electron và nhận năng lượng từ electron và chúng sẽ bị ion hóa.

b. Ion hóa bằng ñiện trường mạnh:

Tại buồng ion hóa, người ta ñặt các bộ phát trường là các “mũi nhọn” dưới dạng các dây dẫn mảnh hay các lưỡi nhọn ñặt một ñiện áp vào trong. Dưới tác dụng của ñiện trường mạnh, các electron sẽ bứt ra khỏi phân tử chất nghiên cứu. Trong phương pháp này các ion phân tử ñược tạo thành vẫn giữ nguyên ở trạng thái cơ bản. Ngoài hai phương pháp này, còn có một phương pháp khác như ion hóa hóa học (ion hóa nhờ sự tương tác giữa các ion), ion hóa nhờ sự phóng ñiện, ion hóa nhờ sự ñốt nóng (nguồn nhiệt, tia lazer)... Tuy nhiên, các phương pháp này ít ñược sử dụng hơn.

6.1.2. Máy khối phổ Các ion ñược tạo thành sẽ ñược phân cắt thành các thành phần có khối lượng khác

nhau trong các máy khối phổ. Một máy khối phổ thường có 4 khối chức năng chính. ðó là:

73

Hệ thống nạp mẫu, nguồn ion hóa, bộ phân tích, bộ ghi tín hiệu. Trong ñó quan trọng nhất là bộ phân tích ñể phân cắt các ion có khối lượng khác nhau thành từng mảnh ion. Bộ phân tích này có một số loại sau: bộ phân tích từ, bộ phân tích tứ cực, bộ phân tích theo thời gian và bộ phân tích cộng hưởng ion-xyclotion. Trong ñó, máy có bộ phân tích từ là loại máy truyền thống.

Theo tính năng bộ ghi, máy khối phổ thông thường có hai loại: máy khối phổ kí với tín hiệu khối phổ ñược ghi bằng kính ảnh ở dạng vạch ñộ ñậm khác nhau; và máy khối phổ kế với tín hiệu ñược ghi dưới dạng xung ñiện hoặc ñưa vào bộ nhớ của máy tính, tín hiệu sẽ ñược ñưa ra dưới dạng bằng số hoặc dạng ñồ thị thích hợp.

6.1.3. Quá trình hình thành khối phổ - Quá trình trong buồng ion hóa: Khi các electron từ catot bắn ra cách phân tử

nghiên cứu ở khoảng cách nhỏ hơn 0,5 A0, các electron sẽ truyền năng lượng cho phân tử. Các phân tử sau khi nhận năng lượng sẽ bị kích thích, các electron trong phân tử sẽ chuyển sang mức năng lượng cao hơn và có thể mất ñi một hoặc một số electron tạo nên ion phân tử. Khi năng lượng của các electron gây ion hóa ñủ lớn (50 - 80 eV), trong quá trình ion hóa, phân tử sẽ nhận năng lượng (cao hơn thế ion hóa) bổ sung dẫn ñến các ion phân tử bị kích thích. Một phần năng lượng kích thích sẽ chuyển thành năng lượng dao ñộng, một phần tiêu tốn cho quá trình kích thích electron. Các electron bị kích thích có thể chuyển lên mức năng lượng phản liên kết và phân tử bị phân cắt ở liên kết ñó. Quá trình này xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn 10-12 - 10-13 s. Tuy nhiên, nếu việc chuyển electron lên mức năng lượng kích thích nhưng chưa ñủ ñiều kiện ñể bẻ gẫy liên kết và sự phân rã nhanh không thể thực hiện ñược thì thời gian sống của ion phân tử sẽ tăng ñáng kể và tiến tới bằng chu kì dao ñộng của phân tử. Khi ñó, năng lượng kích thích sẽ biến thành năng lượng dao ñộng, sự kích thích sẽ lan truyền trong toàn mạch phân tử và nếu tại một liên kết nào ñó của mạch bị yếu ñi thì năng lượng kích thích ñủ phân cắt liên kết ñó và phân tử bị bẻ gẫy tại liên kết này. Xác suất bẻ gãy một liên kết phụ thuộc vào ñộ bền của liên kết, giá trị năng lượng kích thích, và phụ thuộc vào ñộ ổn ñịnh của các ion tạo thành.

- Trong ion phân tử: Electron có thể bị bứt ra từ một liên kết bất kì. Trong ion, sẽ nhanh chóng xảy ra sự phân bố lại mật ñộ ñiện tích trong toàn mạch và ñiện tích sẽ ở tại vị trí có electron π tự do hoặc electron p hay d, thường là ở các nhóm chức chứa nối ñôi hoặc các nối ñôi liên hợp (Ví dụ C = O; C ≡ N; C = S; nhân thơm...). ðộ lớn của pic ion phân tử phụ thuộc vào ñộ bền của nó nghĩa là khả năng không bị phân cắt trong thời gian chuyển từ buồng ion hóa ñến bộ thu nhận .

Khi giảm năng lượng electron gây ra ion hóa sẽ làm giảm năng lượng ion phân tử như vậy sẽ giảm xác suất phân cắt tiếp tục dẫn ñến làm giảm cường ñộ các mảnh, làm tăng cường ñộ tín hiệu của ion phân tử.

Khi giảm năng lượng của electron gây ra ion hóa ñến 10 -15 eV thì cường ñộ tương ñối của pic của ion phân tử tăng nhanh - phương pháp cho phép nhận biết tín hiệu của các ion phân tử trong nhiều tín hiệu của khối phổ ñồ. Phương pháp này sử dụng có hiệu quả khi phân tích ñịnh lượng hỗn hợp hidrocarbon phức tạp và xác ñịnh cấu tạo phân tử của các chất.

74

- ðối với các nguyên tố có nhiều ñồng vị, ngoài tín hiệu của ion M+, còn có thể có tín hiệu của các ion phân tử có khối lượng (M-1)+ hoặc (M+1)+; (M+2)+... gây nên nhiều tín hiệu lân cận cạnh tín hiệu của M+, tỷ lệ các tín hiệu ñó so với tín hiệu của M+ tỷ lệ với thành phần các ñồng vị của nguyên tố ñó trong tự nhiên. Ví dụ, tỷ lệ của 15N và 14N trong tự nhiên là 0,37%, thì với các hợp chất chứa Nitơ, tín hiệu của ion (M+1)+ có cường ñộ bằng 37% cường ñộ của M+.

Khối lượng và ñộ thường gặp trung bình của các ñồng vị của một số nguyên tố trong hợp chất hữu cơ.

ðồng vị Khối lượng ðộ thường gặp tương ñối 1H 2H

1,0078 2,0141

100 ← 0,015

12C 13C

12,0000 13,0034

100 ← 1,12

14N 15N

14,0031 15,0001

100 ←0,366

16O 17O 18O

15,9949 16,9991 17,9992

100 ← 0,037 ← 0,024

32S 33S 34S 35S

31,9721 32,9715 33,9679

100 0,789 4,433 0,018

Chẳng hạn như nguyên tử cacbon trong thiên nhiên tồn tại 12C 100%, 13C 1,1%. Như vậy, nếu một hợp chất chỉ chứa 1 nguyên tử cacbon như CH4 thì ion M+ có chiều cao là 100% (12CH4) thì ion M+ + 1 sẽ có tỷ lệ 1,1% (13CH4). ở phân tử etan có chức 2 nguyên tử cacbon, nên ion M+ có chiều cao là 100% (12C2H6) thì ion M+ + 1 sẽ có chiều cao 2 x 1,1% = 2,2% (13CH3

12CH3). Như vậy nếu phân tử có n nguyên tử C thì chiều cao của ion M+ + 1 sẽ có tỷ lệ n x 1,1% so với chiều cao của ion M+.

- Mảnh ion hình thành do sự bẻ gẫy của một liên kết nào ñó của ion phân tử khi ion phân tử nhận năng lượng bổ sung. Khi năng lượng của các electron gây ion hóa trong khoảng 8 - 12 eV thì với các chất hữu cơ, về nguyên tắc không có mảnh ion. ở khoảng từ 15 - 20 eV chỉ bẻ gẫy ñược một số liên kết yếu nên ở khoảng này cũng chỉ có một số ít vạch. Khi năng lượng từ 30 - 50 eV ñến nhỏ hơn 100 eV thì có thể bẻ gẫy bất kì một liên kết nào. Xác suất bẻ gẫy một liên kết nào ñó phụ thuộc vào ñộ bền của liên kết ñó cũng như ñộ ổn ñịnh của các ion dương ñược hình thành. Có thể biểu diễn quá trình ion hóa bằng sơ ñồ:

−

+

+

→+

+→+

+→+

MeM

eMneM

eMeMn 2

2

]3[

]2[

]1[

ở ñiều kiện năng lượng thấp (8 - 15 eV) quá trình ion hóa thường xảy ra theo phản ứng [1]. ðây là quá trình quan trọng nhất trong phân tích khối phổ.

75

Khi chất phân tích tiếp xúc với electron có năng lượng khoảng 70 eV hoặc lớn hơn 6000 kJ.mol-1, phân tử sẽ bị ion hóa và sau ñó có thể chuyển thành các mảnh ion:

e2MeM +→+ •+ M+ = Ft

+ + Nt

M+ là ion phân tử; Ft+ là mảnh ion; cũng có thể là gốc ion; Nt là phân tử hoặc gốc

trung hòa. Ví dụ, ñối với propanon.

CH3.CO.CH3 + e = [CH3.CO.CH3]+ (m/z =58)

[CH3.CO.CH3]+ = [CH3.CO]+ + CH3 (m/z =43)

Có nhiều khả năng bẽ gãy các phân tử phức tạp tạo thành các mảnh ion. Ví dụ hợp chất gồm nhiều hợp phần khác nhau ABC khi va chạm với các electron có thể xảy ra các khả năng sau:

ABC + e → ABC+ + 2e

ABC+ → A+ + BC•

hoặc

ABC+ → AB+ + C•

↓ A+ + B

6.2. khả năng phân giải của máy khối phổ

- Khả năng làm việc của một máy khối phổ ñược ñặc trưng bằng năng suất phân giải của máy. Năng suất phân giải R của một máy khối phổ là khả năng có thể phân biệt ñược hai pic ứng với khối lượng gần nhau nhất M và M ± ∆M trên khối phổ ñồ.

R = M

M

∆

Khả năng phân giải 1000 (R = 1000) có nghĩa là một ion có khối lượng m=1000 thì có thể tách biệt ñược ion có khối lượng nặng hơn hay nhẹ hơn nó 1 ñơn vị (∆M =1). ðối với ion có khối lượng là 100 thì có thể tách khỏi ion khác có khối lượng nặng hơn hay nhẹ hơn nó 0,1 ñơn vị (∆M =0,1). ðối với ion có khối lượng M = 28 thì có thể tách khỏi ion có khối lượng nặng hơn hay nhẹ hơn nó 0,028 ñơn vị. Ví dụ như ion C2H4 có thể tách khỏi ion CO vì hiệu số khối lượng ∆M = 0,036 ñơn vị (MCO = 27,994915; MC2H4 = 28,0313000).

Như vậy nếu R càng lớn thì máy càng có khả năng phân biệt ñược các hạt có khối lượng càng gần nhau.

6.3. ứng dụng sắc kí khí - khối phổ ñể phân tích các chất ô nhiễm hữu cơ

Phân tích khối phổ có thể dùng ñể xác ñịnh công thức cấu tạo cũng như có thể cũng như có thể dung phân tích ñịnh lượng khi dùng phân tích ñịnh lượng, người ta dựa vào sự phụ thuộc của cường ñộ vạch I và nồng ñộ.

I = K.C

Trong ñó I là cường ñộ vạch phổ và C là nồng ñộ.

76

Phương pháp sắc kí khí khối phổ (GC/MS - gas chromatography/ Mass Spectroscopy) là những kỹ thuật hiện ñại ñể xác ñịnh trong một phạm vi rộng các chất hữu cơ chưa biết và ñược áp dụng rất rộng rãi trong phân tích môi trường.

Nguyên lí của phương pháp dựa trên sự phân tích các phổ của một hỗn hợp trên GC, tiếp theo là sự xác ñịnh chúng bằng khối phổ. Các chất ñược phân chia nhờ các cột GC thích hợp, sau ñó các hợp phần ñược rửa giải từ cột sẽ chịu tác ñộng của electron hoặc chất ion hóa hóa học. Các ion phân tử sẽ ñược xác ñịnh nhờ các ñặc trưng của khối phổ. Vì vậy các chất có mặt trong mẫu sẽ ñược xác ñịnh nhờ các ion sơ cấp hoặc thứ cấp (primary and secondary ions) và nhờ thời gian lưu của chúng.

ðể phân tích các chất ô nhiễm hữu cơ trong mẫu môi trường, US.EPA ñã phân chia chúng thành hai loại là chất hữu cơ dễ bay hơi và chất hữu cơ bán bay hơi (hình 6.1). Các chất hữu cơ dễ bay hơi bao gồm các chất hữu cơ ít nhiều bay hơi tại áp suất và nhiệt ñộ xung quanh. Tuy nhiên, sự phân chia này dựa trên kỹ thuật phân tích hơn là dựa vào cấu trúc hóa học của chất ô nhiễm. Ví dụ như dạng clo và p-xylen là rất khác nhau về cấu trúc và tính chất hóa học. Tính chất duy nhất ñể ghép chúng trong một nhóm ñó là tính bay hơi. Mặc dù các chất ô nhiễm bay hơi thường có ñiểm sôi thấp, nhưng cũng có một số chất có ñiểm sôi cao như hơi nước, etylbenzen, xylen, diclobenzen...

a. Các chất hữu cơ dễ bay hơi (do phương pháp làm sạch và làm giàu - purge and trap method):

Có 2 cách ñể chuyển các chất phân tích dễ bay hơi vào cột sắc kí khí là kỹ thuật làm sạch, làm giàu, và giải hấp nhiệt. Trong phương pháp làm sạch và làm giàu, người ta thổi heli hoặc nitơ vào một lượng mẫu nước trong vòng 11 phút (thường lấy 5 ml cho nước thải và 25 ml cho nước uống). Các chất phân tích ñược sục cho bay hơi và

DỄ BAY HƠI

BÁN BAY HƠI NHỮNG MẪU ðÒI HỎI PHẢI

CHIẾT THEO HỆ LỎNG - LỎNG; HOẶC LỎNG - RẮN.

Chất chiết rút axit CHẤT LỎNG CHIẾT RÚT

ðƯỢC ðƯA VÀO CỘT SẮC KÍ KHÍ.

Chất chiết rút kiềm/trung tính

CHẤT LỎNG CHIẾT RÚT ðƯỢC ðƯA VÀO

CỘT SẮC KÍ KHÍ.

CÁC CHẤT Ô NHIỄM HỮU CƠ

Hình 6.1. Sơ ñồ phân loại các chất ô nhiễm hữu cơ dựa vào kỹ thuật chiết rút mẫu

77

ñược ñưa ñến bộ phận thu hồi bao gồm than hoạt tính, tenax và silicagen. Sau ñó, các phần làm giàu này sẽ ñược ñốt nóng ở 1800C trong 4 phút. Các chất phân tích ñược giải hấp và vận chuyển ñến cột sắc kí khí bằng khí mang (carrier gas).

ðối với mẫu ñất và các chất thải rắn, thì cân một lượng nhất ñịnh mẫu, sau ñó xử lí bằng metanol (thường dùng là 10 - 100 ml phụ thuộc vào nồng ñộ ước tính của chất phân tích trong mẫu và sự có mặt của các chất khác). Lấy một lượng nhỏ chất chiết rút metanol cho vào 5 ml nước phản ứng trong phòng thí nghiệm và ñưa vào 1 ống sục khí sau ñó ñược sục bằng 1 khí trơ. Chất phân tích ñược thu hồi bằng chất hấp phụ, sau ñó ñược giải hấp bằng nhiệt và vận chuyển ñến cột sắc kí khí.

Tính toán nồng ñộ chất phân tích trong chất rắn có thể ñược minh họa bằng thí dụ sau:

2 g ñất ñược chiết rút bằng 10 ml metanol. Lấy 100 µl metanol sau khi xử lý với mẫu ñất cho vào 5 ml dung dịch thuốc thử chọn lọc (Reagent grade water) ñể sục khí và thu hồi các hợp phần hữu cơ bay hơi. Hàm lượng của chất phân tích xác ñịnh ñược là 22 mg/l. Tính hàm lượng của nó trong ñất có thể theo 1 trong 2 cách sau ñây:

1. Tính khối lượng:

Nghĩa là có 0,11 mg chất phân tích trong 5 ml nước trong ống sục khí trộn lẫn với chất chiết rút metanol, hay có trong 100 µl chất chiết rút metanol.

Vậy lượng chất phân tích có trong 2 g ñất sẽ là:

hay 5500 mg/kg.

2. Phân tích thứ nguyên:

= 5500 µg/ kg ñất

b. Các chất hữu cơ bán bay hơi:

Các chất hữu cơ khó bay hơi ñược gộp trong một nhóm gọi là nhóm bán bay hơi (semivolatile). Chúng bao gồm cả những chất hữu cơ có khả năng bay hơi rất thấp như ñiphenylclorinat và các chất thơm ña nhân (polinuclear arometics). Việc phân tích các

10 ml (hoặc 10.000 ml) chiết rút 0,11mg x

100 ml chiết rút

= 11 mg chất trong 10 ml chất chiết rút metanol (hay trong 2 g ñất)

22 mg/l = 22mg x 5 ml nước

1000 ml nước = 0,11 mg trong 5 ml nước

22 mg chất

1 lít nước x

1 lít nước

1000 ml nước x 1000 ml metanol

1 ml metanol x 5 ml nước

1000 ml metanol x 10 ml metanol

2 g ñất x 1000 g ñất

1 kg ñất

22 x 5 x 1000 x 10 x 1000

1000 x 1000 x 2 = µg chất/ kg ñất

78

chất hữu cơ bán bay hơi bằng phương pháp sắc kí khí không khác nhiều so với các chất hữu cơ dễ bay hơi. Sự khác nhau cơ bản là các cách chiết rút mẫu phân tích.

ðiều chỉnh máy:

Trước khi tiến hành phân tích, cần phải kiểm tra và ñiều chỉnh cho máy ñảm bảo khả năng thực hiện tốt các chức năng. Các máy GC/MS ñều có kèm theo các chất ñiều chỉnh như peflotributylamin (PFTBA). ðặc trưng khối lượng ion của hợp chất này (hoặc một chất ñiều chỉnh nào khác) và diện tích phổ tương ứng sẽ cho phép kiểm tra các chức năng của máy. ðể ñảm bảo ñộ chính xác và ñộ sai số cho phép của kết quả xác ñịnh, US.EPA ñã ñưa ra các chất ñiều chỉnh dùng cho phân tích các chất hữu cơ trong môi trường bằng GC/MS. Bao gồm 4-bromoflorobenzen (BFB), decaflorotriphenyl photphin (DFTPP) tương ứng cho các chất dễ bay hơi và bán bay hơi.

Decaflorotriphenylphotphin oxit (DFTPPPO) là chất kiểm tra ñiều khiển ñiều chỉnh cho phân tích bằng LC/MS ñối với một số thuốc trừ sâu chứa nitơ. Hệ thống GC/MS phải ñược kiểm tra ñể bảo ñảm tất cả các chức năng của máy phải ñạt ñộ chính xác theo yêu cầu. Các tính chất cơ bản m/z ñối với chất ñiều chỉnh BFB và DFTPP ñược trình bày ở bảng 6.1 và 6.2.

Bảng 6.1. Yêu cầu của chất ñiều chỉnh BFB cho phân tích chất hữu cơ dễ bay hơi Khối lượng ion ðộ thường gặp

50 15 - 40% của khối lượng 95

75 30 - 60% của khối lượng 95

95 Pic cơ bản, ñộ thường gặp tương ñối 100%

96 5 - 9% của khối lượng 95

173 < 2% của khối lượng 174

174 > 50% của khối lượng 95

175 5 - 9% của khối lượng 174

176 95 - 101 của khối lượng 174

177 5 - 9% của khối lượng 176 Bảng 6.2. Yêu cầu của chất ñiều chỉnh DFTPP cho phân tích chất hữu cơ bán bay hơi

Khối lượng ion ðộ thường gặp

51a 30 - 60% của khối lượng 198

68 < 2% của khối lượng 69

70b < 2% của khối lượng 69

127c 40 - 60% của khối lượng 198

197d < 1% của khối lượng 198

198 Pic cơ bản, ñộ thường gặp tương ñối là 100%

199 5 - 9% của khối lượng 198

275e 10 - 30% của khối lượng 198

79

365f > 1% của khối lượng 198

441 Có mặt nhưng nhỏ hơn khối lượng 443

442g > 40% của khối lượng 198

443h 17 - 23% của khối lượng 442

a: Từ 10 - 80% của khối lượng 198 khi sử dụng phương pháp 525 (nước uống).

b: Cần phải có ñể ñáp ứng yêu cầu của CLP

c: Từ 10 - 80% của khối lượng 198 cho phương pháp 525 (nước uống) và 25 - 75% của khối lượng 198 ñể ñáp ứng yêu cầu của CLP.

d: < 2% của khối lượng 198 cho phương pháp 525 (nước uống).

e: Từ 10 - 60% của khối lượng của 198 cho phương pháp 525 (nước uống).

f: > 0,75% của khối lượng 198 ñể ñáp ứng yêu cầu của CLP.

g: > 50% của khối lượng của 198 cho phương pháp 525 (nước uống) và 40 -100% của khối lượng 198 ñể ñáp ứng yêu cầu của CLP.

h: 15 - 24% của khối lượng của 198 cho phương pháp 525 (nước uống) và ñáp ứng nhu cầu CLP.

80

Chương 7. Các loại nước và các phương pháp phân tích nước

7.1. ðại cương về các loại nước

7.1.1. Nước thiên nhiên

Nước thiên nhiên bao gồm các loại nước có nguồn thiên nhiên như sông ngòi, hồ ao, suối, mạch ngầm, biển, ñại dương. Có thể nói nước thiên nhiên là một hệ dị thể nhiều thành phần, vì nước thiên nhiên luôn chứa những lượng nào ñó các chất tan và không tan có nguồn gốc vô cơ cũng như hữu cơ. Các chất ñó ñược ñưa vào từ khí quyển, từ ñất và các nguồn chứa hoặc các mạch nước chảy qua. Các chất ñó còn ñược tạo thành do hoạt ñộng sống và sự phân huỷ của các cơ thể ñộng vật, thực vật sống trong nước hoặc ñáy các nguồn nước. Các hoạt ñộng của con người trong các lĩnh vực khác nhau của sản xuất và ñời sống hàng ngày cũng ảnh hưởng tới thành phần nước trong thiên nhiên. Việc bón phân và sự cải tạo ñất bằng phương pháp hóa học, các phế thải của các nhà máy, các khu công nghiệp ñặc biệt là nước thải công nghiệp và hoạt ñộng khác của con người cũng ñưa vào nước thiên nhiên những chất vô cơ và hữu cơ.

Có nhiều cách phân loại nước thiên nhiên, nguyên tắc của sự phân loại ñó phụ thuộc vào mục ñích phân loại và nghiên cứu nước:

Dựa vào nguồn gốc của nước, có thể chia thành các loại: nước khí quyển (nước mưa, tuyết), nước ngầm, nước bề mặt (nước sông, ngòi, hồ ao, biển..).

Dựa vào nguyên tắc và mục ñích sử dụng nước, có các loại như nước ăn, nước sinh hoạt, nước kỹ thuật, nước chữa bệnh v.v..

Dựa vào hàm lượng và ñặc tính của các chất có trong nước, chia thành: nước ngọt (chứa hàm lượng chất tan < 0,1%), nước khoáng (hàm lượng chất tan từ 0,1 - 2,5%), nước biển (hàm lượng chất tan từ 2,5 - 5,0%), nước muối (hàm lượng chất tan > 5% ). Ngoài ra người ta còn phân chia thành các loại như nước cứng, nước mềm, nước trong, nước ñục, nước có màu, nước có mùi v.v..

Nước thiên nhiên ñược ñặc trưng bằng một loạt các tính chất như ñộ ñục, mùi vị, ñộ kiềm, ñộ cứng, cặn không tan v.v.. Sự tồn tại của các loại vi sinh vật khác nhau, các quần thể phù du, các loại rong rêu cũng có thể làm cho nước bị nhiễm bẩn.

Dựa trên các tính chất hóa lý có thể chia các hợp phần hóa học thành 3 nhóm lớn như sau:

a. Các chất hòa tan trong nước dưới dạng các ion và phân tử. Các ion vô cơ trong nước với hàm lượng lớn nhất là Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-, HCO3

-, CO32-, SO4

2-. Các ion có hàm lượng nhỏ hơn là Fe2+, Fe3+, Mn2+, Br-, I- , F-, BO2

-, HPO42-, HSO3

-, HS-, HSiO3-. Các ion vô cơ còn lại có hàm lượng rất nhỏ

trong nước ñược gọi là các ion của các nguyên tố vi lượng và siêu vi lượng. Các khí có hàm lượng lớn là các O2, CO2, N2, H2S. Các khí như CH4, Ar, Rn,... có hàm lượng nhỏ. Các chất tan hữu cơ thường gặp trong nước tự nhiên là focmaldehit, phenol.

b. Các hợp phần tạo nên những hệ keo trong nước bao gồm các hệ keo vô cơ như SiO2, Al(OH)3, Fe(OH)3, các hệ keo hữu cơ như các chất mùn. Các hệ keo thường làm cho nước có màu.

c. Các chất tạo với nước các phần tử như cát, sét và các hợp chất hữu cơ khác nhau.

81

Các hợp phần sinh học của nước thiên nhiên bao gồm: các loại vi khuẩn, virut, ñộng vật có kích thước lớn, rong rêu, tảo... Trong nước thiên nhiên có chứa một lượng thức ăn cho các thủy sinh vật. Vì vậy thành phần ñịnh lượng và ñịnh tính của chúng phụ thuộc nhiều vào thành phần hóa học của nước. ðối với các vi sinh vật trong nước, bên cạnh những vi sinh vật có lợi còn có những vi sinh vật có hại. Vì vậy trong việc phân tích nước thì xác ñịnh chỉ tiêu vi sinh vật cũng có ý nghĩa hết sức quan trọng.

7.1.2. Nước thải

Cùng với sự phát triển của văn minh nhân loại, nhu cầu về nước ngày càng tăng, lượng nước công nghiệp cũng như nước sinh hoạt thải ra ngày càng nhiều gây ô nhiễm ñáng kể ñến nước mặt và môi trường. Do ñó nhiều vùng nước mặt ñã bị ô nhiễm các loại hợp chất hóa học và các loại vi sinh vật ñộc hại.

Trong những năm gần ñây nguy cơ làm ô nhiễm môi trường do các chất hữu cơ, ñặc biệt là các sản phẩm công nghiệp và khai thác chế biến dầu mỏ gây ra ngày càng tăng lên. Việc nhiễm các loại thuốc trừ sâu, diệt cỏ, các chất tẩy rửa tổng hợp cũng là mối ñe dọa ñáng kể ñến sự tồn tại của các loài thủy sinh và con người. Ngoài ra còn phải kể tới các chất thải phóng xạ thải ra từ các phòng thí nghiệm.

Có thể nói nước thải là một hệ dị thể phức tạp bao gồm rất nhiều chất tồn tại dưới các trạng thái khác nhau. Nếu như nước thải công nghiệp chứa rất nhiều các hóa chất vô cơ và hữu cơ thì nước thải sinh hoạt lại chứa rất nhiều các chất dưới dạng protein, cacbonhydrat, mỡ, các chất thải ra từ người và ñộng vật, ngoài ra còn phải kể ñến các loại rác rưởi như giấy, gỗ, các chất hoạt ñộng bề mặt... Các hợp chất vô cơ thường gặp ở ñây là các ion như K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Cl-, CO3

2-, SO42-. Ngoài ra nước thải

sinh hoạt còn chứa các vi khuẩn, virut, rong, rêu.

Với những ngành sản xuất khác nhau thì trong nước thải sẽ có những loại hóa chất khác nhau như:

- Khai khoáng: các kim loại, các axit vô cơ

- Gia công ñồ gỗ: flo, kẽm

- ðồ gốm : Ba, Cd, Li, Mn, Se

- ðồ da : Ca, H2S, Na2S, Cr, Zn, Ni...

- Luyện cốc : NH3, H2S, các kiềm...

- Công nghiệp sơn : Ba, ClO3-, Cd, Co, Pb, Zn, Mn...

- Hóa dược : B, Br, NH4+, K, các axit, kiềm, các chất hữu cơ...

- Thủy tinh : H3BO3, As...

Trong số các hóa chất gây nhiễm bẩn nguồn nước thì Hg, Be, Cd, Pb, As, Se có ñộc tính rất cao.

Nước thải sinh hoạt có thành phần hóa học ñơn giản hơn, chủ yếu bao gồm: K, Na, Fe, Pb, Zn, Ni, Mn, Hg, Ag, Co.

Việc phân tích nước thải rất khó khăn và phức tạp. Khi phân tích cần phải tiến hành các quá trình tách, làm giàu, lựa chọn các phương pháp có ñộ nhạy, ñộ chọn lọc cao. Một trong những ñặc tính gây khó khăn cho việc phân tích nước thải là tính chất không bền vững của nó.

ðối với nước ăn việc phân tích hóa học ñơn giản hơn vì loại nước này ñã ñược xử lý về mặt cơ hóa và sinh học.

82

7.2. phân tích nước

7.2.1. Phân tích nước thiên nhiên

Việc phân tích ñể ñánh giá chất lượng nước thiên nhiên phụ thuộc vào mục ñích sử dụng loại nước ñó, nhưng nói chung ñể phân tích ñầy ñủ một mẫu nước thiên nhiên cần xác ñịnh khảo sát một số loại chỉ tiêu sau ñây:

- Các thông số về vật lý và cảm quang như nhiệt ñộ, vị, ñộ ñục, tỷ trọng.

- Các thông số về thành phần hóa học như hàm lượng các cation, anion và các chất hữu cơ.

- ðối với nước sinh hoạt, ngoài các chỉ tiêu trên, còn phải xác ñịnh và ñánh giá cả về chỉ tiêu vi sinh vật.

7.2.2. Phân tích nước thải

Thành phần nước thải khác nhiều so với nước thiên nhiên, vì thế phân tích nước thải lại theo một sơ ñồ khác. Mẫu nước thải thường phân tích ngay trong ngày lấy mẫu. Sau ñây là các chỉ tiêu cần phân tích ñối với nước thải:

Nhiệt ñộ

Màu sắc

Mùi vị

ðộ ñục

pH

Lượng kết tủa

ðộ bền tương ñối của nước

Các chất lơ lửng

Tổng số muối tan

Các chất màu, chất hữu cơ ñộc hại

Kim loại nặng

7.2.3. Những ñiều cần chú ý khi phân tích nước

Phải lấy và bảo quản mẫu ñúng quy cách, và tuân theo một cách nghiêm ngặt các quy tắc lấy mẫu. Thông thường mẫu phải ñựng trong bình polietylen.

Phải chọn phương pháp phân tích thích hợp.

Phải sử dụng ñúng quy cách các dụng cụ và hóa chất.

7.3. Lấy và bảo quản mẫu nước

7.3.1. Xác ñịnh vị trí lấy mẫu

Mẫu lấy ñể xác ñịnh tính chất thông thường của nước có thể lấy ngẫu nhiên từ bề mặt vào thời gian buổi sáng. Tuy nhiên, khi nghiên cứu một cách chi tiết hơn, cần phải ñặt kế hoạch và xác ñịnh vị trí lấy mẫu trước.

ðối với vùng nước rộng, như ao, hồ, mẫu lấy phải ñại diện cho nước toàn bộ vùng. Cần phải lấy nước ở nguồn thải vào và ra khỏi hồ cũng như tác ñộng của con người ñến nguồn nước.

83

Tuỳ theo vùng nước nông hay sâu mà có thể lấy mẫu ở một tầng, ở hai tầng (tầng mặt và tầng ñáy), ba tầng hoặc nhiều hơn nữa. ỏ các sông, suối có thể lấy dọc theo dòng nước và theo chiều ngang nếu ñủ rộng. ỏ những nơi có nguồn nước thải, cần lấy các ñiểm trước và sau ñiểm hòa nhập của nguồn nước thải.

7.3.2. Lấy mẫu nước

Vị trí lấy mẫu phụ thuộc vào mục ñích của nghiên cứu. Thời gian và tần suất lấy mẫu phụ thuộc vào mức ñộ biến ñộng của các chất, có thể theo các thời gian trong ngày. Trong các ngày nắng, pH của nước có thể tăng ñặc biệt là nước có khả năng ñệm thấp do khả năng trao ñổi CO2 của thực vật thủy sinh, và nồng ñộ P có thể sẽ bị giảm ñi.

Trong nhiều trường hợp lấy mẫu vào buổi sáng là thích hợp vì lúc ñó sự biến ñộng các chất diễn ra chậm. Trong trường hợp chung, có thể lấy mẫu 3 tháng một lần, nhưng khi nghiên cứu chi tiết có thể lấy mẫu theo chu kì 7 hoặc 14 ngày từ mùa xuân ñến mùa thu.

Trong trường hợp nước ñồng nhất, có thể chỉ cần lấy một mẫu ñơn lẻ cũng ñủ ñể ñại diện cho môi trường nước thời ñiểm lấy mẫu. Ví dụ như ở dòng suối chảy và không khác biệt nhiều thì có thể lấy ở ñộ sâu trung bình ở giữa suối. Tương tự như vậy khi lấy mẫu trong hồ chứa nước hoặc trong bể chứa nước. Tuy nhiên tính ñồng nhất giữa các tầng nước cũng cần phải khẳng ñịnh bằng việc lấy một loạt các mẫu ở các ñộ sâu khác nhau ñể kiểm tra sơ bộ trước. Nếu lấy nước qua máy bơm, ống dẫn hoặc vòi nước thì cần phải ñể nước chảy khoảng 5 - 6 lít trước khi lấy mẫu.

Trong trường hợp chất lượng nước bị biến ñổi theo thời gian thì mẫu cũng cần phải ñược lấy theo các thời gian thích hợp. Như trong trường hợp có sự thay ñổi của dòng chảy, của các nguồn nước thải...mẫu có thể ñược lấy ở nhiều nguồn khác nhau phụ thuộc vào nguồn nước. Cần phải tránh lấy mẫu ở những khu vực ñặc biệt như vùng nước ñọng, cỏ dại mọc nhiều, hoặc có nước ngầm xâm nhập vào.

Lượng nước cần lấy tối thiểu ñể ñảm bảo cho các phép phân tích, thường từ 1 ñến 2 lít. Dụng cụ ñựng mẫu cần phải ñược làm sạch bằng các biện pháp cần thiết như rửa bằng các chất tẩy rửa hoặc dung dịch axit. ðối với phân tích vi sinh vật thì dụng cụ ñựng mẫu cần phải ñược vô trùng.

Có thể làm giảm các tác ñộng của các quá trình xảy ra trong mẫu bằng việc thêm các hóa chất cần thiết, ñiều chỉnh pH hoặc giữ mẫu ở nhiệt ñộ thấp (4 0C).

7.3.3. Lấy và bảo quản mẫu

Mục tiêu chính của công việc này là nhằm chuyển mẫu ñến các nơi phân tích và ñảm bảo sự biến ñổi của mẫu là tối thiểu, chất phân tích sẽ không có sự thay ñổi ñáng kể về hàm lượng. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, tính chất của nước có thể bị thay ñổi, ví dụ như Na+ hay Ca+ + có sự biến ñộng rất ít trong khi Mo và các vitamin thì bị biến ñổi rất nhiều.

Vì vậy, dụng cụ lấy mẫu và dụng cụ ñựng mẫu phải ñảm bảo sạch và phải áp dụng các biện pháp cần thiết ñể giảm sự biến ñổi của mẫu ñến mức tối thiểu.

a. Lấy mẫu nước:

Khi lấy mẫu nước cần phải ñảm bảo không làm xáo trộn các tầng nước. Người ta thường dùng 4 loại dụng cụ lấy mẫu sau:

- Dụng cụ lấy mẫu hình trụ mở:

84

Loại Ruttner và Kemmerer: có dạng hình trụ mở, dung tích từ 1 ñến 3 lít có nắp ñậy ở mỗi ñầu. Các nắp này có thể ñược mở ra hoặc ñóng vào nhờ một hệ thống dây. ống Ruttner làm bằng nhựa, còn ống Kemmerer làm bằng ñồng. Khi nắp ống ñược mở ra, nước sẽ ñi qua, ñến ñộ sâu cần lấy mẫu, người ta thường kéo, hạ ống lên xuống vài lần (dao ñộng trong khoảng 25 cm) trước khi ñóng nắp lại ñể lấy mẫu.

Dụng cụ lấy mẫu Friedinger: Dụng cụ này có dạng gần giống với loại Ruttner và Kemmerer, nhưng nắp ñược mở ra 900. Tất cả các phần bên trong ñều không làm bằng kim loại. Dung tích dao ñộng từ 3,5 - 5 lít, dụng cụ này có khung ñể gắn nhiệt kế.

- Dụng cụ lấy mẫu có thoát khí, cổ hẹp:

Dạng bình Dussart: Dụng cụ này rất ñơn giản, có thể tự làm lấy ñược. Dùng một bình có cổ hẹp (dạng cổ chai) có nút cao su với hai ống nhỏ. Một ống ñược kéo dài xuống tận ñáy bình, còn một ống chỉ cần xuyên qua nắp cao su. ðầu trên của hai ông nhỏ này ñược nối với nhau bằng một ống nhỏ hình chữ U hoặc nối bằng ống cao su mềm. Một vật ñủ nặng buộc phía dưới bình ñể kéo bình chìm xuống nước. ống chữ U ñược buộc chặt vào cổ bình và nối với dây kéo ñể ñiều khiển khi lấy mẫu. Thả bình ñến ñộ sâu cần thiết, kéo ống chữ U, nước sẽ tràn vào bình, ñẩy không khí thoát ra.

Dụng cụ lấy mẫu Valas: Tương tự như dụng cụ Dussart nhưng phần ñóng mở có từ tính và cấu tạo phức tạp hơn. Sau khi mở ñể lấy mẫu, nắp sẽ ñược ñậy kín lại. Dụng cụ này thường sử dụng ñể lấy mẫu phân tích vi sinh vật.

- Dụng cụ lấy mẫu bằng bơm:

Dùng một ống bằng cao su hoặc nhựa (ñủ nặng) ñể thả xuống ñộ sâu cần thiết. Dùng bơm ñể hút tạo dòng nước liên tục và mẫu nước ñược lấy. Nếu cần phân tích các chất khí thì ñầu ống cần ñặt sát ñáy bình ñựng mẫu và ñể ít nhất lượng nước chảy qua ít nhất khoảng gấp 3 lần thể tích bình ñựng mẫu. ðể lấy mẫu nước ở một tầng nhất ñịnh, ống cao su cần ñặt ở khoảng giữa của hai ñĩa nhựa, ñặt song song với nhau có ñường kính khoảng 10 cm.

Dụng cụ lấy mẫu này sử dụng các loại bơm tay ñể tránh sự tiếp xúc của kim loại với nước. Nó có ưu ñiểm là ít làm xáo trộn mẫu nước. Thể tích của ống dài 10 m, thiết diện 1 cm2 chỉ là 1 lít. Dụng cụ này thích hợp ñể lấy các mẫu hỗn hợp với các ñộ sâu khác nhau.

- Dụng cụ lấy mẫu nước có nhiều chức năng khác nhau:

Dụng cụ lấy mẫu Von dorn : ðây là dụng cụ ñược dùng rất phổ biến ñể lấy mẫu nước. Gồm một ống hình trụ bằng chất dẻo, 2 van cao su nối với nhau bằng ống cao su ở phía trên và phía dưới ống. Hai van cao su này có thể ñóng mở nhờ một chiếc khóa ở phía ngoài ống trụ. Khi thả dụng cụ xuống nước, 2 van cao su ñều mở, ñến ñộ sâu cần thiết sẽ ñược ñóng lại nhờ hệ thống ñiều khiển (messenger). Mẫu ñược chuyển sang bình chứa nhờ lỗ nhỏ ở thành hình trụ.

7.3.4. Một số chỉ dẫn khi lấy mẫu nước

Khi lấy mẫu ñối với nguồn nước chảy như sông, suối...thì nên lấy mẫu ở chỗ nước chẩy mạnh nhất.

Mẫu lấy ở các hồ thiên nhiên, hồ chứa, các ao ñầm...thì nên lấy mẫu ở các vị trí khác nhau và ở những ñộ sâu khác nhau. Không nên lấy mẫu trung bình ñối vối loại mẫu này.

Mẫu lấy từ các mạch, các loại giếng, các bể hồ chứa nước nhân tạo thì nên lấy ở những ñộ sâu cần thiết.

Mẫu nước mưa chỉ cần hứng vào lúc trời mưa và cần ghi rõ thời ñiểm lấy mẫu.

85

Mẫu từ các trạm và các vòi nước sinh hoạt, thông thường ñược lấy trực tiếp tại các ống dẫn nước ra.

Mẫu nước thải, nên lấy mẫu trung bình, trước khi lấy mẫu cần nghiên cứu kỹ yêu cầu, mục ñích sử dụng nước và các ñiều kiện sinh hoạt khác

7.3.5. Bảo quản mẫu nước trước khi phân tích

Trong khoảng thời gian từ lúc lấy mẫu nước ñến khi phân tích, hàm lượng của các hợp phần có thể bị thay ñổi với mức ñộ khác nhau.

Nhiệt ñộ và pH của nước là hai ñại lượng biến ñổi nhanh nhất, vì vậy hai chỉ tiêu này cần xác ñịnh ngay tại nơi lấy mẫu. Hàm lượng một số khí cũng cần phải ñược xác ñịnh ngay như 02, C02, H2S, Cl2.

ðối với việc xác ñịnh các kim loại nặng trong nước thì cần tuân thủ theo những qui trình sau ñây ñể bảo quản mẫu: thêm các hóa chất tinh khiết vào trong 1 lít mẫu nước.

Ag : Thêm 5 ml HNO3 ñặc

Al : Thêm 5 ml HCl ñặc

As : Thêm 5 ml HCl

Ca : Thường không cần phải xử lý

Cd : Thêm 5 ml HNO3 ñặc

Co : Giống như Cd

Cr : Thêm 5 ml HNO3 ñặc

Cu : Thêm 5 ml HNO3 ñặc

Fe : Thêm 25 ml HNO3 khi xác ñịnh tổng hàm lượng sắt. Thêm 25ml CH3C00Na 1M dùng ñể xác ñịnh các dạng khác nhau của sắt.

Hg : Thêm 1 ml HNO3 ñặc

Mg : không cần phải xử lý

Mn : Thêm 5 ml HNO3 ñặc

NH3 : Thêm 1 ml H2SO4 ñặc và 2 - 3 ml CHCl3 và bảo quản ở nhiệt ñộ 3 - 4 oC.

Ni : Thêm 5 ml HNO3

PO43- : Thêm 1 - 2 ml CHCl 3

Pb : Thêm 3 ml HNO3 ñặc và 2 ml CH3COOH ñặc

Zn : Thêm 1 ml H2SO4 ñặc

SO42- : Thêm 2 - 4 ml CHCl3

CN - : Giữ mẫu ơ nhiệt ñộ 3 - 4oC, tăng pH, cần xác ñịnh ngay

SiO3 2-: ðựng trong bình polietylen, khi hàm lượng SiO2 cao cần thêm 1ml H2SO4 (1:3).

F - : Phải ñựng trong bình polyetylen

Cl- : Thêm 2 - 4 ml CHCl3

Borat : ðựng trong bình polyetylen, hoặc bình thủy tinh không có bo (nên xác ñịnh ngay sau khi lấy mẫu).

SCN - : Nên xác ñịnh ngay, không nên ñể quá 1 ngày ñêm.

86

Phenol : Nếu hàm lượng vượt quá 100 mg/l thì không cần xử lý mẫu và không ñược lưu giữ quá 5 ngày ñêm, nếu hàm lượng <100 mg/l có thể thêm vào 4 g NaOH/1l, nếu hàm lượng < 0,5 mg/l cần phân tích ngay sau khi lấy mẫu.

HCHO : Không cần xử lý, cần phân tích ngay

ðường và tinh bột : Không nên xác ñịnh chậm hơn 1 ngày ñêm sau khi lấy mẫu.

7.4. Xác ñịnh thành phần hóa học của nước

7.4.1. Xác ñịnh pH

Ngày nay, việc xác ñịnh pH trở nên ñơn giản do sự phát triển của khoa học công nghệ. Giá trị pH ñược xác ñịnh bằng phép ño trên máy ño pH (pH meter). ðiểm cần lưu ý khi ño pH là việc bảo quản ñiện cực, do các ñặc ñiểm về khí hậu của vùng nhiệt ñới. Trước khi tiến hành ño cần phải kiểm tra lại máy bằng cách ñiều chỉnh máy với các dung dịch ñệm có giá trị pH = 4,01; 7,00; 10,00. ðiện cực phải luôn ñược bảo quản trong dung dịch bảo quản.

7.4.2. ðộ cứng

ðộ cứng của nước do các kim loại kiềm thổ hóa trị hai, chủ yếu là Ca và Mg gây nên. Người ta thường phân biệt ñộ cứng cacbonat và ñộ cứng phi cacbonat. Lượng ion Ca và Mg tương ứng với các anion của các axit vô cơ mạnh như HCl, H2SO4, HNO3 gọi là ñộ cứng phi cacbonat. ðộ cứng toàn phần là tổng của hai loại ñộ cứng trên.

ðộ cứng thường ñược biểu thị bằng số mili ñương lượng gam của các ion Ca, Mg trong 1 lít nước hoặc ñôi khi bằng thang ñộ cứng của ðức, ký hiệu là 0H (1 ñơn vị ñộ cứng của ðức tương ứng với 10 mg CaO/l).

a. Xác ñịnh ñộ cứng của nước bằng phương pháp chuẩn ñộ Complexon:

Phương pháp này dựa trên phản ứng tạo phức của các ion Ca2+, Mg2+ với anion etylendiamintetraaxetat (kí hiệu là Y4-). Các phức ñó có ñộ bền không cao, phức CaY2- có hằng số bền là 1010,7, bền hơn phức MnY2- có hằng số bền là 108,7. Vì nồng ñộ của các ion Ca2+ và Mg2+ trong nước thường không cao, nên ñể phản ứng chuẩn ñộ xảy ra hoàn toàn, người ta thường tiến hành chuẩn ñộ trong môi trường ñệm NH4OH + NH4Cl có pH =10,00. Dung dịch chuẩn là Complexon III. ðể xác ñịnh ñiểm tương ñương người ta dùng chỉ thị ET_OO (Eriocrom T ñen). Trong môi trường chuẩn ñộ, chất chỉ thị sẽ phản ứng với ion Ca2+ và Mg2+ ñể tạo thành phức có màu ñỏ.

Trình tự phân tích:

Lấy 100 ml nước cần xác ñịnh ñộ cứng, thêm vào 10 ml dung dịch ñệm (nếu ñộ kiềm của mẫu nước lớn thì phải dùng dung dịch HCl 0,1N ñể ñiều chỉnh cho pH dung dịch bằng 7 - 8 theo giấy chỉ thị tổng hợp trước khi thêm dung dịch ñệm), thêm một lượng nhỏ chất chỉ thị (khoảng bằng một hạt ñỗ xanh), dung dịch có màu ñỏ. Chuẩn dung dịch bằng dung dịch chuẩn Complexon III, cho tới khi dung dịch chuyển từ màu ñỏ sang màu xanh. Nếu trong dung dịch có mặt các ion cản trở như Fe3+, Cu2+ thì cần chuẩn ñộ lại với mẫu nước khác và cách tiến hành như sau: sau khi cho 10 ml dung dịch ñệm, ta thêm vài giọt KCN 5% ñể che ion cản trở rồi mới thêm chất chỉ thị và tiến hành chuẩn ñộ như trên.

Tính kết quả:

ðộ cứng toàn phần của nước ñược tính như sau:

x = V

lmda lg/1000*2*025,0*

87

Trong ñó : a : là thể tích dung dịch Complexon III tiêu tốn

V : là thể tích mẫu nước lấy ñể phân tích (ml)

0,025 : nồng ñộ dung dịch Complexon III

2 : số ñương lượng gam ñộ cứng tương ứng với 1 mol Complexon III.

Hóa chất:

Dung dịch Complexon III 0,025M: hòa tan 9,306 g Complexon III trong 1 lít nước cất hai lần.

KCN 5%: cân 5 g KCN hòa tan trong 100ml nước cất hai lần.

Eriocrom T ñen: cân 0,05 g chất chỉ thị trộn với 10 g NaCl.

ðệm NH4OH + NH4Cl (pH=10): hòa tan 25 g NH4Cl trong 100 ml nước, thêm 200 ml NH4OH 20%, sau ñó thêm nước cất ñến 1 lít.

b. Xác ñịnh Ca và Mg:

ðể xác ñịnh hàm lượng Ca và Mg trong nước sinh hoạt, nước uống, các loại nước bề mặt, nước thải, người ta thường dùng phương pháp chuẩn ñộ Complexon III (Trilon B).

Phức EDTA-Ca bền hơn EDTA-Mg. Khi pH của dung dịch nằm trong khoảng 12-13, EDTA-Ca bền vững trong khi ñó EDTA-Mg bị phân hủy vì tạo ra hydroxit-Mg. Do ñó có thể chuẩn ñộ Ca trong môi trường của NaOH có pH = 12 - 13, với chỉ thị Murexit.

Xác ñịnh Ca:

Trình tự phân tích:

Cho mẫu nước vào bình tam giác có V = 250 ml, thể tích mẫu nước ñược lấy ñể không chứa quá 15 mg Ca. Dùng nước cất pha loãng thành 100 ml, nếu thấy cần thiết. Nếu mẫu nước có tính axit thì cần trung hòa bằng dung dịch NaOH. Nếu mẫu nước có ñộ kiềm cao hơn 6 mñl/l thì cần thêm vào lượng tương ñương dung dịch HCl 0,1N, ñun sôi dung dịch và ñể nguội. Sau ñó thêm vào 2 ml NaOH 2M và một ít chất chỉ thị murexit. Chuẩn ñộ từ từ bằng dung dịch EDTA 0,025M cho ñến khi dung dịch chuyển từ màu hồng sang màu tím.

Tính kết quả:

x = V

a 1000* (mgCa/l)

a : Là thể tích dung dịch EDTA 0,025M

V : Là thể tích mẫu nước chuẩn ñộ (ml)

1000 : 2 x 0,025 x 20 x 1000

Hóa chất:

EDTA 0,025M: Xem phần trên.

NaOH 2M : hòa tan 8 g NaOH trong 100 ml nước cất hai lần.

HCl 0,1N : pha 8,2 ml HCl ñặc trong 1lít nước cất hai lần.

Xác ñịnh Mg:

Sau khi ñã xác ñịnh Ca như trên, tiến hành xác ñịnh tổng số Ca + Mg tại các giá trị pH = 10 với chỉ thị Eriocrom T ñen.

Trình tự phân tích:

88

Lấy vào bình tam giác có V = 250 ml, lượng thể tích như trong xác ñịnh Ca. Xử lý mẫu như ñã làm ñối với Ca. Thêm vào 5 ml hydroxilamin 10%, vài giọt KCN 10%, và một lượng nhỏ chỉ thị Eriocrom T ñen. Rồi tiến hành chuẩn ñộ bằng 0,025M.

Tính kết quả:

y = ( )

V

xxxVV 100024025,021 − mg/l

V1 : Thể tích EDTA chuẩn Ca + Mg (ml)

V2 : Thể tích EDTA chuẩn Ca (ml)

V : Thể tích mẫu nước (ml)

Hóa chất:

+ Hydroxilamin 10%: hòa tan 10g NH2OH.HCl trong 100 ml nước cất hai lần.

7.4.3. Xác ñịnh Cu

Hàm lượng ñồng trong các loại nước thiên nhiên và trong các nguồn nước sinh hoạt thường không lớn lắm, dao ñộng trong khoảng từ 0,001 - 1 mg/l. Trong nước, Cu thường tồn tại dưới các dạng ion Cu2+, hoặc dưới các dạng phức xianua, tactrat...

ðể xác ñịnh Cu người ta thường dùng phương pháp trắc quang với dietyldithiocacbamat (DDC).

Phản ứng giữa Cu2+ với Pb-DDC xảy ra tại giá trị pH = 1 - 1,5. Trong trường hợp này cùng với Cu còn có Bi, Hg, Ag tham gia phản ứng. Các nguyên tố còn lại không tham gia phản ứng, nên phương pháp này có ñộ chọn lọc cao. Hg và Ag không gây cản trở vì phức của chúng không có màu. Bimut (Bi) không chỉ gây cản trở khi nồng ñộ của nó vượt quá 30µg/l. Nếu nồng ñộ Bi vượt quá giới hạn thì cần phải lắc phức DDC- kim loại với 25 ml HCl 5M trong 5 phút, khi ñó phức Bi-DDC bị phân huỷ còn Cu-DDC không bị phân hủy.

Khi trong mẫu có chứa phức Cu-xianua, thì cần phải phá huỷ phức ñó bằng cách thêm 0,5 ml H2SO4 (1:1); 5 ml HNO3 ñặc vào 200 - 250 ml mẫu, cho mẫu vào cốc chịu nhiệt rồi ñặt lên bếp, làm bay hơi dung dịch cho ñến gần cạn khô (quá trình phá hủy này nên tiến hành trong tủ hút). ðể nguội, thêm vào 1 ml HCl ñặc và làm bay hơi ñến khô. ðể nguội, thêm vào nước cất hai lần, ñun nóng dung dịch ñến sôi ñề hòa tan hết lượng muối rắn, lọc và chuyển toàn bộ dung dịch thu ñược vào bình ñịnh mức thích hợp, ñịnh mức bằng nước cất hai lần và giữ lấy ñể phân tích.

Trình tự phân tích:

Lấy một thể tích nước cần phân tích ñể trong mẫu chứa khoảng 0,2 - 6,0 µg Cu/l, cho vào phễu chiết dung tích 200 - 500 ml. Pha loãng mẫu nước nếu cần ñến thể tích 100 ml rồi thêm vào 5 giọt HCl (1:1), từ buret thêm vào một cách chính xác 10 ml Pb-DDC trong toluen. Cẩn thận ñậy nút phễu chiết lại và lắc trong hai phút. Giữ yên phễu chiết ñể cho hai tướng phân lớp, tách bỏ phần tướng nước phía dưới, phần tướng hữu cơ chứa Cu-DDC có màu vàng ñược chuyển vào cuvet và tiến hành so màu tại bước sóng λ = 430 nm.

Lập ñường chuẩn:

Lấy vào các phễu chiết 0,00 ; 0,2 ; 0,5 ; 1,0 ; 2,0 ; 3,0 ; 4,0 ; 5,0 ; 6,0 ml dung dịch chuẩn Cu2+ có nồng ñộ 1 µg Cu/l, pha loãng bằng nước cất ñến 100 ml và tiến hành như với mẫu.

Tính kết quả:

Dựa vào ñường chuẩn xây dựng mối tương quan y = a . x + b

89

Trong ñó: y : Hàm lượng Cu2+

x : Mật ñộ quang ño ñược

Hóa chất:

Pb-DDC trong toluen: Chuẩn bị một phễu chiết sạch có V = 1000 ml, thêm vào ñó 50 - 100 ml nước cất hai lần, 0,1 g Na-DDC trong lượng nước tối thiểu rồi thêm vào phễu chiết lượng nhỏ Pb(NO3)2 ñể kết tủa hết Pb-DDC. Thêm vào phễu chiết 250 ml toluen, ñậy nút phễu chiết và lắc mạnh, toàn bộ kết tủa Pb-DDC sẽ tan hết vào trong toluen, tách bỏ tướng nước, phần tướng hữu cơ ñược lọc qua giấy lọc vào bình màu nâu, dung dịch này bền trong khoảng ba tháng.

HCl loãng: Pha dung dịch HCl 0,01N

Dung dịch Cu2+ nồng ñộ 1 µg Cu/ml: Hòa tan 3,906 mg CuSO4.5H2O trong 1 lít nước cất hai lần.

7.4.4. Xác ñịnh Pb bằng phương pháp trắc quang ñithizon

Hàm lượng Pb trong nước thiên nhiên rất nhỏ, nằm trong khoảng 0,001 - 0,02 mg/l. Trong nước sinh hoạt cũng có lượng vết Pb do ống nước ñược làm bằng Pb. Trong nước thải, ñặc biệt nước thải của các nhà máy sản xuất Pb, Zn hàm lượng Pb có thể lên tới 6 - 7 mg/l. Chì trong nước thải có thể ở dạng tan hoặc dưới dạng muối khó tan như sunfat, cacbonat, sunfua.

ðithizon - diphenylthiocacbazon là thuốc thử hữu cơ có khả năng tạo phức càng cua với Pb2+. Phức Pb-ñithizonat có màu ñỏ tan trong toluen, phức màu này ñược so màu tại bước sóng λ = 520 nm.

Pb-ñithizonat ñược chiết chọn lọc và ñịnh lượng từ dung dịch có pH = 8 - 9, có chứa lượng dư CN- là chất dùng ñể che nhiều kim loại khác cùng bị chiết với Pb. Trong môi trường trên cùng bị chiết với Pb chỉ có Ta, Bi, Sn. ở ñây Tali không cản trở, nhưng Bi và Sn gây cản trở, do vậy chúng cần ñược tách trước từ môi trường axit. Thêm hydrazin vào dung dịch mẫu nước, ñun nóng ñể khử Sn (IV) xuống Sn (II) và khử các chất khác. Sau khi ñể nguội thêm dung dịch kalinatritactrat vào, ñưa dung dịch ñến pH = 2,5 - 3 bằng axit Tactric, rồi tiến hành chiết nhiều lần, mỗi lần bằng 5 ml ñithizon trong toluen cho tới khi màu xanh của ñithizon không ñổi. Tách lấy tướng nước. Tiến hành chiết như vậy không những tách ñược thiếc mà còn tách ñược cả Hg, Ag, Cu.

Nếu trong mẫu có chứa lượng ñáng kể chất hữu cơ thì cần phải vô cơ hóa chúng bằng hỗn hợp các axit mạnh như H2SO4 và HClO4, các chất oxi hóa cần khử trước bằng hydrazin.

Trình tự phân tích:

Thêm vào cốc 100 ml mẫu nước ñã ñược pha loãng hoặc cô nước ñể trong ñó chứa từ 0,01 - 0,1 mg Pb. Sử dụng bếp cách thủy, làm bay hơi dung dịch ñến khi còn 30 ml, chỉnh pH tới 7 theo giấy chỉ thị tổng hợp. Thêm vào 10 ml hydroxilamin 10% và ñun nóng hỗn hợp ở t0 = 90 - 950C trong khoảng 12 phút. ðể nguội dung dịch, dùng axit HCl loãng hoặc axetic loãng chỉnh pH dung dịch tới 3. Chuyển toàn bộ dung dịch trên vào phễu chiết, từ buret thêm cẩn thận 10 ml dung dịch dithizon và tiến hành chiết cho ñến khi màu xanh dithizon không thay ñổi. Tách lấy tướng nước, rồi chỉnh pH của dung dịch tới 8 - 9 bằng dung dịch amoniac, thêm vào 5 - 10 ml dung dịch KCN 10%. Sau ñó chuyển toàn bộ dung dịch vào phễu chiết, thêm vào chính xác 10 ml dung dịch dithizon và tiến hành chiết cho tới khi màu xanh của dithizon không thay ñổi. Gộp tất cả các phần dithizon chiết ñược lại, chuyển vào một phễu chiết sạch rồi tiến hành rửa bằng dung dịch amoniac loãng, khi ñó phức của Pb-dithizonat có màu ñỏ.

Lập ñường chuẩn:

90

Thêm vào một loạt cốc: 0; 2,5; 5,0; 10,0; 20,0; 30,0; 40,0; 50,0 ml dung dịch chuẩn chứa 0,002 mgPb/ml và thêm nước cất vào mỗi cốc ñến thể tích 100 ml. Như vậy ta ñược các dung dịch có hàm lượng tương ứng 0; 0,05; 0,1... mg Pb/l. Rồi tiến hành tương tự như ñối với mẫu.

Tính kết quả:

Dựa vào ñường chuẩn xây dựng mối tương quan y = a.x +b

y : Hàm lượng Pb trong mẫu

x : Mật ñộ quang ño ñược. Từ ñó thay giá trị mật ñọ quang ño ñược của mẫu vào phương trình trên ta sẽ tính ñược hàm lượng Pb có trong mẫu.

Hóa chất:

Dithizon: Hòa tan 50 mg dithizon trong 100ml toluen, trong phễu chiết thể tích 1000ml. Thêm vào ñó 200ml nước cất và 5 - 10ml dung dịch NH3 ñặc. ðậy nút phễu chiết cẩn thận và lắc trong hai phút. Lúc này dithizon ñã chuyển sang tướng nước, sau khi hai tướng ñã phân lớp, tách bỏ phần dung môi phía trên, lại thêm vào tướng nước 20ml toluen, lắc hỗn hợp, tách bỏ phần toluen. Cẩn thận thêm vào phễu chiết 200ml toluen và dung dịch HCl loãng cho ñến khi tướng nước có phản ứng axit rõ, thử bằng giấy chỉ thị pH. ðậy nút phễu lại và lắc hỗn hợp ñể chuyển hoàn toàn dithizon sang tướng hữu cơ. Chuyển tướng hữu cơ sang một phễu chiết khác, rửa nó vài lần mỗi lần bằng 50ml nước cất hai lần cho ñến khi tướng nước hết phản ứng axit. Tách bỏ phần tướng nước, tướng hữu cơ chứa dithizon ñược chuyển vào bình màu nâu sạch và khô, bảo quản dung dịch ở nhiệt ñộ thấp và tránh ánh sáng. Dung dịch bền trong vài tháng.

Dung dịch làm việc: Lấy một thể tích dung dịch dithizon gốc pha cùng với một thể tích toluen, ñựng trong bình thủy tinh màu nâu sẫm. Dung dịch bền trong một tuần.

Dung dịch rửa amoniac loãng: Pha 175ml NH3 ñặc bằng nước cất hai lần tới thể tích 1 lít.

Kalinatritactrat 10%: Hòa tan 10g KNaC4H4O6.2H2O trong 100ml nước cất hai lần.

KCN 10%: Hòa tan 10g KCN trong 100ml nước cất hai lần ñã ñược kiềm hóa.

Dung dịch 0,002 mgPb/ml: Hòa tan 3,197mg Pb(NO3)2 trong nước cất hai lần thành 1 lít.

7.4.5. Xác ñịnh Zn bằng phương pháp trắc quang dithizon

Kẽm trong nước tự nhiên chủ yếu từ các nguồn nước thải, ñặc biệt nước thải của các nhà máy luyện kim, công nghiệp hóa chất, các nhà máy sợi tổng hợp. Các dạng tồn tại của Zn trong nước là các ion ñơn, ion phức với xianua, cacbonat, sulphua...

Nói chung khi lấy mẫu nước ñể phân tích cần thêm 1ml axit H2SO4 ñặc vào 1 lít nước, trừ trường hợp mẫu có chứa xianua.

ðể xác ñịnh Zn trong nước người ta thường phương pháp trắc quang dithizon là phương pháp cho phép xác ñịnh ñến vài phần trăm miligam kẽm trong 1 lít nước.

Ion Zn tạo phức với dithizon tạo thành kẽm-dithizonat có màu ñỏ hồng. Phản ứng giữa Zn và ñithizon xảy ra tại pH = 5 và dung dịch có chứa lượng dư S2O3

2-, CN- dùng ñể che Cd, Ni, Pb. Do ñó nếu trong mẫu nước không có các ion này hoặc có nhưng với hàm lượng nhỏ hơn kẽm thì không cần dùng xianua. Thiếc (II) cần ñược oxi hóa trước thành thiếc (IV) bằng H2O2 và ñun sôi kỹ ñể phân huỷ hết H2O2 còn dư. Các chất oxi hóa ñược dithizon cần ñược loại trừ trước khi xác ñịnh. Fe (III) cần ñược loại trừ trước bằng cách kết tủa nó dưới dạng hydroxit và lọc bỏ.

Trình tự phân tích:

91

Lấy 100 - 200 ml nước cần phân tích cho vào phễu chiết, mẫu nước cần ñược pha loãng trước hoặc làm bay hơi ñể chứa khoảng 0,005 - 0,03 mg Zn. Dùng axit axetic hoặc NaOH loãng chỉnh pH của dung dịch tới 7, rồi thêm vào chính xác 20 ml dung dịch ñệm có pH = 5 và 20 ml dung dịch che. Từ buret thêm vào chính xác 10 ml dithizon, ñậy nút phễu, lắc cẩn thận trong khoảng 2 phút. Quá trình chiết kết thúc khi màu của dithizon giữ nguyên màu xanh. Gộp tất cả các phần dithizon ñược chiết lại, chuyển vào một phễu chiết sạch khô khác rồi tiến hành rửa dithizon dư bằng dung dịch amoniac loãng như ñối với chì. Khi ñó phức Zn-dithizonat có màu hồng xuất hiện. Phức màu này ñược ñem so màu tại bước sóng λ = 530 nm.

Lập ñường chuẩn:

Chuẩn bị 7 phễu chiết sạch, thêm vào lần lượt từng phễu 0; 10; 20; 30; 40; 50; 60ml dung dịch có nồng ñộ 0,0005 mg Zn/ml. Thêm nước cất hai lần vào ñể ñược thể tích là 100ml rồi tiến hành như ñối với mẫu phân tích.

Tính kết quả:

Dựa trên việc lập thang chuẩn sẽ xác ñịnh ñược mối tương quan hàm số y = a.x +b.

Trong ñó: y: hàm lượng Zn trong mẫu

x: mật ñộ quang

Hóa chất:

Dung dịch che : Hòa tan 120 g Na2S2O3.5H2O, 0,15 g (NH4)2C2O4.2H2O, 1,5 g KCN (nếu cần), 24 g CH3COONa.3H2O, 10 ml NH3 2N, 70 ml HCl 1N trong nước cất hai lần rồi chuyển vào bình ñịnh mức 1 lít và ñịnh mức ñến vạch mức.

Dung dịch ñệm pH = 5: Lấy 73,4 ml CH3COOH 1N và 50 ml NaOH 1N thêm nước cất ñến 500 ml và lắc ñều.

Dithizon: Sử dụng như trong xác ñịnh Pb.

7.4.6. Xác ñịnh Hg bằng phương pháp trắc quang dithizon

Thủy ngân ñôi khi có trong nước chảy ra từ các mỏ và trong nước thải sản xuất các chất màu, dược phẩm và chất nổ. Việc xác ñịnh Hg là rất quan trọng và cần thiết, vì các hợp chất của nó thường rất ñộc.

ðể xác ñịnh thủy ngân thường dùng phương pháp chiết trắc quang dithizon. Phương pháp này rất ñặc trưng và chọn lọc ñối với Hg, vì nó ñược chiết hoàn toàn từ môi trường có ñộ axit rất cao, trong môi trường này tuyệt ñại ña số các kim loại khác không bị chiết. Phương pháp cho phép xác ñịnh từ vài phần trăm miligam tới hàng chục miligam trong 1lít nước.

Nếu ñể mẫu nước lâu mới tiến hành phân tích thì cần thêm vào 1 ml HNO3 ñặc cho 1 lít mẫu.

Trong môi trường axit chỉ có Ag, Cu, cùng bị chiết với Hg. ðể che hai nguyên tố này phải dùng Complexon III và thioxianat (SCN-).

Trong môi trường ñệm axetat có chứa Complexon III và thioxianat (SCN-) chỉ có Au (III) và có thể cả Pt (II) có ảnh hưởng ñến việc xác ñịnh, nhưng hai nguyên tố ñó thường ít khi có mặt trong nước.

Chất hữu cơ có màu thường tách nước bằng toluen. Nếu mẫu có chứa nhiều chất hữu cơ thì cần vô cơ hóa trước khi xác ñịnh.

Trình tự phân tích:

92

Cho vào phễu chiết một thể tích nước thích hợp ñể trong ñó có chứa 0,005 - 0,1 mg Hg, pha loãng ñến 100 ml bằng nước cất hai lần. Thêm vào 20 ml dung dịch ñệm, 10 ml complexon III, 10 ml KSCN.Từ buret thêm chính xác 10 ml dithizon, ñậy nút phễu chiết, lắc cẩn thận trong khoảng 2 phút. Quá trình chiết kết thúc khi màu xanh của dithizon không thay ñổi. Gộp tất cả các phần dithizon ñã chiết ñược lại, chuyển vào một phễu chiết sạch khô. Dùng dung dịch amoniac loãng 5% ñể rửa dithizon dư. Tách bỏ phần tướng nước, khi ñó phức Hg-dithizonat có màu ñỏ da cam xuất hiện. Phức màu này ñược so màu tại bước sóng λ = 490 nm.

Lập ñường chuẩn:

Phép lập ñường chuẩn tương tự như khi xác ñịnh các nguyên tố khác. ðường chuẩn ở ñây ñược lập với các dung dịch ứng với 0; 0,05; 0,1 mg Hg/l. Tiến hành tương tự như ñối với mẫu phân tích.

Tính kết quả:

Tương tự như ñối với các nguyên tố khác ta xây dựng hàm tương quan

y = a.x +b.

Trong ñó: y: hàm lượng Hg trong mẫu

x: mật ñộ quang

Hóa chất:

Dung dịch ñệm axetat (pH = 4): Hòa tan 57 ml CH3COOH ñặc và 82 g CH3COONa.3H2O trong ñó nước cất thành 1 lít.

Complexon III 0,05N : Hòa tan 9,306 g EDTA trong nước cất thành 1 lít.

KSCN: Pha dung dịch 0,1M.

7.4.7. Xác ñịnh Fe

Hàm lượng của Fe có trong nước thiên nhiên phụ thuộc rất nhiều vào nguồn nước và những vùng mà nguồn nước chảy qua. Ngoài ra còn tùy thuộc vào pH và sự có mặt của một số chất như CO3

2-, O2, S2- và các chất hữu cơ tan trong nước, chúng sẽ oxi hóa hay khử sắt và có thể làm cho Fe nằm ở dạng tan hay kết tủa.

ðể xác ñịnh Fe trong nước, thường dùng phương pháp so màu với các thuốc thử như axit sunfoxalixilic hoặc o-phenaltrolin.

Muốn xác ñịnh sắt nằm ở các dạng khác nhau, một ñiều quan trọng cần phải chú ý là cách lấy mẫu. ðể xác ñịnh tổng lượng sắt có trong mẫu cần phải xử lý mỗi mẫu nước với 25 ml HNO3 ñặc.

Nếu muốn xác ñịnh Fe trong mẫu ở các dạng khác nhau, thì mỗi lít nước cần phải xử lý bằng 25 ml dung dịch ñệm CH3OONa 1M.

a. Xác ñịnh Fe bằng thuốc thử o-phenalthrolin:

Thuốc thử o-phenalthrolin phản ứng với ion Fe2+ tạo thành phức chất có màu tím ñỏ. Khoảng pH cho quá trình tạo phức khá rộng từ 3 - 9. Mn có ảnh hưởng rất lớn ñến quá trình xác ñịnh, nên khi mẫu phân tích có mặt Mn thì không ñịnh lượng ñược Fe bằng phương pháp này. Lượng Cu > 10 mg/l cũng gây ảnh hưởng khi xác ñịnh nhưng có thể loại trừ ảnh hưởng ñó bằng cách tiến hành phản ứng trong khoảng pH từ 3 - 4.

Nếu trong mẫu có chứa lượng lớn các chất hữu cơ thì trước ñó cần phải vô cơ hóa.

Trình tự phân tích:

93

Lấy lượng mẫu nước cần phân tích sao cho lượng Fe trong ñó không quá 0,2 mg cho vào bình ñịnh mức 50 ml. Thêm 1 ml HCl loãng, cô ñến thể tích còn khoảng 40 ml. Làm nguội, thêm 1ml hydroxilamin ñể khử Fe3+ thành Fe2+, rồi thêm 1ml o-phenalthrolin. Nhỏ từng giọt NH3 ñến khi giấy chỉ thị công gô chuyển sang màu xanh. ðịnh mức bằng nước cất, lắc ñều. Sau ñó tiến hành so màu tại bước sóng λ = 540 nm.

Lập ñường chuẩn: Lấy lần lượt vào mỗi bình 0; 0,5; 1,0; 2,0; 5,0; 10,0; 20,0; 30,0; 40,0; 50,0 ml dung dịch 0,005 mgFe/ml, rồi tiến hành tương tự như ñối với mẫu.

Tính kết quả:

Dựa vào ñường chuẩn xác lập hàm tương quan y = a.x + b.

y : Hàm lượng Fe trong mẫu

x : Mật ñộ quang

Hóa chất:

o-phenalthrolin : Hòa tan 0,28 g o-phenalthrolin trong nước cất thành 100ml.

Hydroxilamin 10%: Hòa tan 10g hydroxilamin trong nước cất thành 100ml.

HCl : Dung dịch loãng (1:9).

Dung dịch NH3 ñặc.

CH3COONa 1M: Hòa tan 68g CH3COONa.3H2O trong 500 ml nước, thêm 25 ml CH3COOH 6M sau ñó thêm nước cất ñến 1 lít.

b. Xác ñịnh Fe bằng thuốc thử axit sunfoxalixilic:

Ion Fe3+ phản ứng với thuốc thử axit sunfoxalixilic trong môi trường kiềm tạo thành phức có màu vàng. Lượng lớn Al, Cu có trong mẫu sẽ cản trở phép xác ñịnh.

Trình tự phân tích:

Cần lấy lượng mẫu nước thích hợp ñể trong ñó có chứa từ 0,01 - 1,00 mg Fe, cho vào cốc có dung tích 100 ml. Thêm 0,5 ml HNO3 ñặc, làm bay hơi ñến còn khoảng 10 ml. Sau ñó pha loãng bằng nước cất, lọc, thu toàn bộ nước lọc và nước rửa vào bình ñịnh mức 100 ml, thêm nước cất ñến khoảng 90 ml. Thêm 2 ml dung dịch NH4Cl, 2 ml dung dịch axit sunfoxalixilic và 2 ml dung dịch NH3. Thêm nước tới vạch mức, lắc ñều, sau 5 phút ño mật ñộ quang của dung dịch.

Lập dường chuẩn:

Lần lượt lấy vào mỗi cốc 0; 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7;8; 9; 10 ml dung dịch có nồng ñộ 0,1mg Fe/ml. Rồi tiến hành tương tự như ñối với mẫu phân tích.

Tính kết quả:

Dựa vào ñường chuẩn lập hàm tương quan y = a.x +b

y- hàm lượng Fe có trong mẫu

x- mật ñộ quang ño ñược

Hóa chất:

Axit sulphosalixilic 20%

NH3 ñặc

NH4Cl 2N: Hòa tan 107g NH4Cl trong 1 lít nước cất hai lần

HNO3 ñặc

94

7.4.8. Xác ñịnh Mn

Trong nước Mn thường nằm ở hai dạng tan và không tan. ở dạng tan Mn tồn tại dưới dạng ion Mn2+, còn ở dạng không tan là kết tủa hydroxit. Hàm lượng Mn có trong nước tuỳ thuộc vào nguồn nước, hàm lượng Mn cao trong nước thải của nhà máy luyện kim và nhà máy hóa chất.

ðể xác ñịnh tổng lượng Mn có trong nước người ta thường dùng phương pháp trắc quang (so màu). Khi ñó Mn sẽ bị oxi hóa thành Mn7+ bởi chất oxi hóa mạnh như amonipesunphat (NH4)2S2O8. Chú ý khi lấy mẫu phải thêm vào mỗi lít nước 5 ml HNO3 ñặc.

Trình tự phân tích:

Cho 50 - 100 ml mẫu nước vào cốc 150 ml sao cho lượng Mn trong ñó là 0,005 - 1 mg, thêm 2 ml HNO3, nhỏ từng giọt dung dịch AgNO3 cho ñến khi kết tủa hết ion Cl- thêm tiếp 1 - 2 ml dung dịch AgNO3, ñể lắng rồi lọc. Nếu hàm lượng clorua và các chất hữu cơ lớn thì phải tiến hành vô cơ hóa mẫu, không thể loại trừ Cl- bởi AgNO3 khi hàm lượng của chúng quá lớn vì sẽ gây hiện tượng hấp phụ Mn. Thêm 0,5g pesunfat vào nước lọc. ðun dung dịch tới gần sôi khoảng 10 phút. ðể nguội rồi chuyển vào bình ñịnh mức có dung tích 100 ml, thêm nước tới vạch mức. Tiến hành so màu tại bước sóng λ = 525 nm.

Lập ñường chuẩn:

Cho vào 10 cốc 150 ml chịu nhiệt lần lượt theo thứ tự 0; 0,5; 1; 2,5; 5; 10; 20; 30; 40; 50 ml dung dịch chuẩn Mn có nồng ñộ 0,01 mg/ml. Tồi tiến hành như ñối với mẫu phân tích.

Tính kết quả:

Dựa vào thang chuẩn thiết lập mối tương quan hàm số y = a.x +b

Trong ñó: y- hàm lượng Mn

x- mật ñộ quang ño ñược

Hóa chất:

HNO3 ñặc

AgNO3 : Hòa tan 17g AgNO3 trong 500 ml nước cất hai lần

(NH4)2S2O8 muối rắn.

Dung dịch chuẩn: Hòa tan 0,2748 g MnSO4 trong 1 lít nước cất hai lần ñã ñược axit hóa bằng H2SO4, dung dịch này có nồng ñộ 0,1 mg/ml. Pha loãng dung dịch này 10 lần ta ñược dung dịch có nồng ñộ 0,01 mg/ml.

7.4.9. Xác ñịnh Cr

Trong môi trường axit, cromat và dicromat phản ứng với diphenylcacbazit tạo thành hợp chất tan màu ñỏ tím rất thuận lợi cho việc ño màu. Phản ứng này dùng dể ñịnh lượng Cr có hàm lượng từ 0,005 - 1,00 mg/l.

Các ion Hg2+ và Hg22+ (khi hàm lượng > 200 mg/l), V, Mo6+ cũng có khả năng tạo phức màu với

thuốc thử , tuy nhiên những ion này thường có rất ít trong nước. Sắt với hàm lượng lớn hơn 1 mg/l cũng phản ứng với thuốc thử tạo thành hợp chất có màu vàng nâu, nhưng có thể loại trừ Fe bằng cách thêm vào lượng nhỏ H3PO4. Nếu trong mẫu có chứa lượng lớn Mn thì phải oxi hóa bằng pesunfat trong môi trương kiềm hoặc trung tính, nó sẽ tạo thành kết tủa MnO2, và ñược lọc bỏ bằng bông thủy tinh.

95

Nếu mẫu nước có tính kiềm hay trung tính thì rất khó xác ñịnh riêng Cr3+ và Cr6+. Bởi vì khi axit hóa, nếu trong dung dịch có chất khử như Fe2+, sunfit và các chất hữu cơ...thì Cr6+ sẽ bị khử xuống Cr3+. Trong trường hợp này chỉ nên xác ñịnh tổng hàm lượng Cr. Muốn xác ñịnh riêng ta phải tách riêng Cr3+ bằng cách kết tủa nó bằng MgO (pH = 10,5 - 11). Khi ñó Cr(OH)3 kết tủa trên bề mặt MgO, còn Cr6+ vẫn tan trong dung dịch. Lượng lớn chất hữu cơ, các chất khử và ion Cl- không cản trở phép xác ñịnh. a. Xác ñịnh Cr6+:

Trình tự phân tích: Lấy lượng mẫu phân tích vào bình ñịnh mức sao cho trong ñó có khoảng 0,005 -0,1 mg crom.

Mẫu nước ñược cho vào bình nón cỡ 25 ml, thêm vài giọt phenolphtalein, nếu dung dịch có màu hồng thì thêm từng giọt H2SO4 1N tới khi mất màu, ghi thể tích dung dịch H2SO4 1N ñã dùng: nếu dung dịch không có màu thì thêm từng giọt NaOH 1N. Thêm bằng ấy giọt H2SO4 1N hoặc NaOH 1N vào mẫu ñể trung hòa. Sau ñó thêm 1 ml H2SO4, 0,2 ml axit photphoric và 2 ml dung dịch diphenylcacbazit, thêm nước tới vạch mức, lắc ñều. Sau 5 - 10 phút thì ñem so màu tại bước sóng λ = 540 nm.

Lập ñường chuẩn:

Chuẩn bị 10 bình ñịnh mức có dung tích 100ml. Lần lượt lấy vào mỗi bình 0; 1; 2; 5; 10; 15; 20; 30; 40; 50 ml dung dịch có nồng ñộ 0,002 mgCr/ml. Rồi tiến hành tương tự như ñối với mẫu phân tích.

Tính kết quả:

Dựa vào ñường chuẩn thiết lập mối tương quan hàm số y = a.x + b

Trong ñó: y: hàm lượng Cr

x: mật ñộ quang ño ñược b. Xác ñịnh tổng hàm lượng Cr:

Lấy lượng mẫu nước cần phân tích cho vào cốc có thể tích 250 ml sao cho lượng Cr trong ñó khoảng 0,005 - 1 mg. Trung hòa bằng H2SO4 hoặc NaOH 1N. Sau ñó thêm 0,3 ml H2SO4 1N, 5 - 10 ml dung dịch amonipesunfat, ñun sôi dung dịch 20 - 25 phút (ñể phân huỷ hết pesunfat dư). Làm bay hơi bớt ñể dung dịch còn khoảng 50 ml. Chuyển tất cả vào bình ñịnh mức và tiến hành như xác ñịnh Cr6+.

Hóa chất dùng cho xác ñịnh các dạng Cr: NaOH 1N: Hòa tan 40 g NaOH trong 1 lít nước cất hai lần.

H2SO4 1N: Hút 28 ml H2SO4 ñặc vào 500 ml nước cất hai lần rồi ñịnh mức tới 1 lít.

H3PO4 ñặc 85%

Diphenylcacbazit 0,5% trong axeton: Hòa tan 0,25g diphenylcacbazit trong 50 ml axeton.

Amonipesulphat 0,1% : Hòa tan 0,1 g amonipesulphat trong 100 ml nước cất hai lần.

Dung dịch chuẩn: Hòa tan 2,8285 g K2Cr2O7 trong 1 lít nước cất hai lần ñược dung dịch có nồng ñộ 1 mg/ml. Sử dụng dung dịch này ñể pha thành dung dịch có nồng ñộ 0,002 mg/ml.

7.4.10. Xác ñịnh Ni bằng thuốc thử dimetylglioxim

Trong nước sinh hoạt và nước tự nhiên thường không có Ni hoặc chỉ là lượng vết. Ni chỉ có trong nước ở một số hồ hoặc sông mà nguồn nước chảy qua những vùng núi và vùng mỏ có Ni. Ni có trong nước thải của một số nhà máy luyện kim và hóa chất có sử dụng Ni. Trong nước Ni tồn tại dưới dạng Ni2+, dạng phức xianua và dạng ít tan như sunfua, cacbonat, hydroxit...

96

ðể xác ñịnh Ni người ta thường dùng phương pháp so màu khi hàm lượng Ni nằm trong khoảng 1 - 20 mg/l, nếu hàm lượng Ni lớn hơn 5 mg/l thì có thể dùng phương pháp khối lượng, còn khi hàm lượng 0,02 mg/l dùng phương pháp cực phổ.

Mẫu nước lấy xong chưa phân tích ngay thì phải thêm 2 - 5 ml HNO3 ñặc vào 1 lít mẫu nước. Nếu cần ñịnh lượng riêng Ni ở dạng tan và không tan thì khi lấy mẫu ta phải lọc ngay rồi mới ñóng chai bảo quản và xác ñịnh Ni ở dạng tan và tổng lượng Ni, từ ñó suy ra hàm lượng Ni ở dạng không tan.

Trong môi trường amoniac yếu, khi có mặt chất oxi hóa mạnh ion Ni2+ phản ứng với dimetylglioxim tạo thành phức chất có màu ñỏ.

Sắt, crôm và ñồng cản trở phép xác ñịnh nên cần loại bỏ trước. ðể loại bỏ Fe thêm 2 ml H2O2 3% vào 100 ml mẫu phân tích, ñun sôi và kết tủa hydroxit bằng dung dịch ammoniac, lọc bỏ kết tủa.

Loại bỏ Cu bằng cách axit hóa mẫu bằng HCl ñến pH = 2, sau ñó sục khí H2S, lọc bỏ kết tủa, nước lọc trước khi phân tích phải ñun sôi kĩ ñể ñuổi hết H2S dư.

Trình tự phân tích:

Cho vào bình ñịnh mức 100 ml một thể tích mẫu sao cho lượng Ni trong mẫu là 0,01 - 0,25 mg. Thêm vào ñó 10 ml dung dịch nước brom bão hòa, lắc hỗn hợp. Sau ñó thêm 12 ml dung dịch ammoniac, 4 ml dung dịch dimetylglioxim rồi thêm nước cất tới vạch mức. Sau ñó tiến hành ño mật ñộ quang tại bước sóng λ = 540 nm.

Lập ñường chuẩn:

Chuẩn bị 8 bình ñịnh mức có dung tích 100 ml, lần lượt lấy vào mỗi bình 0; 2,5; 5; 10; 20; 30; 40; 50 ml dung dịch có nồng ñộ 0,005 mg/ml. Rồi pha loãng thành 50 ml bằng nước cất. Rồi tiến hành như ñối với mẫu phân tích.

Tính kết quả:

Dựa vào ñường chuẩn thiết lập mối tương quan hàm số y = a.x +b

Trong ñó: y : hàm lượng Ni trong mẫu

x : mật ñộ quang ño ñược

Hóa chất:

Dung dịch nước brom bão hòa

Amoniac ñặc

Dimetylglioxim 1,2% : Hòa tan 1,2 g muối natri dimetylglioxim trong nước cất và pha loãng thành 100ml.

Dung dịch chuẩn : Hòa tan 1 g dây Ni vào 15 ml HNO3 ñặc, thêm 5 ml H2SO4 (1:3), ñun ñến bốc khói trắng. Hòa tan phần cặn và thêm nước cất ñến 1 lít. Dung dịch này có nồng ñộ 1 mgNi/ml. Từ dung dịch này pha thành dung dịch có nồng ñộ 0.005 mg/ml.

7.4.11. Xác ñịnh Asen (As) bằng phương pháp trắc quang

Trong nước As thường nằm ở dạng asenat. As hầu như không có trong nước ngầm, nó chỉ có trong các nguồn nước thải của các nhà máy luyện kim, công nghệ hóa học, các nhà máy da và sản xuất chất màu.

ðể xác ñịnh asen người ta thường dùng phương pháp so màu với thuốc thử Ag- dietyldithiocacbamat. Bằng phương pháp này có thể xác ñịnh ñược ñến 0,05 mg asen trong 1 lít nước.

97

Dưới tác dụng của dòng hidro mới sinh, asenat bị khử thành asin (AsH3) và sau ñó phản ứng với Ag-dietyldithiocacbamat tạo hợp chất có màu ñỏ khi có mặt của piridin.

Trong ñiều kiện này, H2S cũng phản ứng với thuốc thử tạo thành hợp chất có màu tương tự. Ta phải loại bỏ ảnh hưởng của H2S bằng cách cho hấp thụ trên ống có ñựng giấy lọc có tẩm chì axetat hoặc bằng cách vô cơ hóa nó như một chất hữu cơ. SbH3 cũng có khả năng phản ứng tương tự như AsH3 nhưng nó chỉ tạo thành hợp chất màu hồng nhạt khi có hàm lượng nó cao hơn 0,1 mg/l, cho nên thực tế có thể bỏ qua.

Lượng lớn chất hữu cơ trong nước cũng gây cản trở phép xác ñịnh cần loại bỏ chúng bằng cách vô cơ hóa mẫu. Lấy lượng mẫu sao cho có 0,002 - 0,4 mg As, thêm vào 2-3 ml H2SO4 ñặc, 5 ml HNO3

ñặc và 0,5 ml 3%, làm bay hơi dung dịch ñến khi bốc khói trắng. ðể nguội, thêm 5 ml nước cất, chuyển toàn bộ vào bình cất, tráng nhiều lần bằng nước cất và thêm nước cất tới thể tích khoảng 50 ml.

Nếu lượng chất hữu cơ có trong nước ít thì ta có thể làm giàu asen bằng cách cộng kết nó với sắt hydroxit. Lấy 100 - 1000 ml mẫu sao cho lượng asen trong ñó không nhỏ hơn 0,002 mg, cho vào phễu chiết, thêm vào ñó 0,5 - 1 ml dung dịch FeCl3 (hòa tan 115 g FeCl3 trong 1 lít nước cất hai lần). Trung hòa bằng NH4OH (1:1) ñến khi xuất hiện kết tủa. Lắc nhẹ phễu chiết khoảng 15 phút, ñể yên cho kết tủa lắng xuống, tách lấy phần kết tủa cho vào bình cất của máy cất. Lặp lại kết tủa một lần nữa trong phễu chiết ñể tách hết kết tủa. Nếu còn kết tủa thì tách và gộp nó cùng với kết tủa trước. Hòa tan kết tủa bằng một lượng vừa ñủ HCl (1:4). Nếu kết tủa không tan hết thì lọc bỏ. Thêm nước cất tới khoảng 50 ml.

Trình tự phân tích:

Trước khi tiến hành phân tích cần kiểm tra xem hàm lượng asen có trong các thuốc thử.

Lấy khoảng 50 ml mẫu nước cần phân tích cho vào bình tam giác sao cho lượng asen trong ñó khoảng 0,002 - 0,01 mg. Thêm vào ñó 15 ml dung dịch HCl loãng. Sau ñó thêm tiếp 6 ml dung dịch KI và 0,5 ml dung dịch SnCl2. Lắc ñều hỗn hợp và ñể yên 15 phút. Nhồi giấy lọc ñã tẩm chì axetat vào ống thủy tinh. Lấy 15 ml dung dịch hấp thụ Ag- dietyldithiocacbamat vào bình hấp thụ rồi nối tất cả các bộ phận của bình hấp thụ với nhau. Cho vào bình tam giác 5 g kẽm hạt hay 2 - 3 g kẽm bột, ñậy ngay bình lại. Zn sẽ khử H+ giải phóng ra hyñro. Hyñro mới sinh sẽ khử asen tạo thành asin bay ra và bị dung dịch trong bình hấp thụ. Phản ứng xảy ra trong 60 phút. Nếu thấy phản ứng xảy ra chậm thì cho thêm 0,5 ml SnCl2, 5 - 15 ml HCl ñặc qua phễu.

Sau khi phản ứng xong, chuyển dung dịch ở bình hấp thụ vào cuvet và ñem ño mật ñộ quang tại bước sóng 560 nm.

Lập ñường chuẩn:

Pha một dãy dung dịch chuẩn có chứa 0; 2; 5; 10; 20; 30; 40; 50 ml dung dịch chuẩn có nồng ñộ 0.001 mg/ml. Tiến hành như ñối với mẫu phân tích.

Tính kết quả:

Dựa vào ñường thiết lập mối tương quan hàm số y = ax + b

Trong ñó: y : Hàm lượng As trong ñất

x : Mật ñộ quang ño ñược

98

Hình 7.1. Dụng cụ xác ñịnh asen

7.4.12. Xác ñịnh Cl- bằng phương pháp chuẩn ñộ Morh

Clorua có khá nhiều trong nước thiên nhiên, trong các nguồn nước thải Cl- phụ thuộc vào quá trình sản xuất công nghiệp. Một trong những tiêu chuẩn ñể ñánh giá ñộ nhiễm bẩn của nước là hàm lượng Cl-.

Khi hàm lượng Cl- trong nước trên 2 mg thì có thể ñịnh lượng nó bằng phương pháp chuẩn ñộ AgNO3.

Phương pháp này sử dụng K2CrO4 làm chỉ thị, khi Cl- ñã kết tủa hết dưới dạng AgCl thì một giọt AgNO3 dư sẽ làm xuất hiện kết tủa màu ñỏ nâu Ag2CrO4. Trong phương pháp này cùng với Cl- còn có Br-, I- cũng bị chuẩn ñộ. Xianua cũng ảnh hưởng, tuy vậy anion này có thể bị phá huỷ trước bằng H2O2 trong môi trường kiềm. Các anion sulphit, sulphua và thiosulphat cũng ngăn cản việc xác ñịnh. Cả ba anion này ñược loại bỏ bằng H2O2. Sunfit ñược phá huỷ trong môi trường trung tính, hai anion còn lại trong môi trường kiềm. Ion photphat cũng cản trở việc xác ñịnh nếu hàm lượng của nó lớn hơn 25 mg/l. Fe3+ ngăn cản việc xác ñịnh khi hàm lượng của nó lớn hơn 10 mg/l.

Trình tự phân tích: Lấy 100 ml mẫu nước ñã lọc. Nếu mẫu nước có phản ứng axit hoặc kiềm thì trung hòa theo chỉ

thị phenolphtalein. Sau khi trung hòa xong, thêm vài giọt dung dịch axit loãng ñể dung dịch mất màu hồng (nếu có). Nếu mẫu nước có pH = 7 - 10 thì không cần xử lý trước. Thêm vào 1ml dung dịch K2CrO4 rồi tiến hành chuẩn ñộ bằng dung dịch AgNO3 cho ñến khi dung dịch chuyển sang màu da cam nâu.

Tính kết quả:

Hàm lượng Cl- trong nước ñược tính theo công thức sau:

(mgCl-/l) = V

Na 1000.45,35..

a : Thể tích dung dịch chuẩn AgNO3 (ml)

N : Nồng ñộ ñương lượng của AgNO3

V : Thể tích dung dịch mẫu (ml)

7.4.13. Xác ñịnh NO3-

Ion NO3 thường có mặt trong tất cả các loại nước. Tuy vậy, hàm lượng NO3- trong nước mặt và

nước ngầm thường không ñáng kể. Một số loại nước thải có hàm lượng NO3- cao.

Khi hàm lượng NO3- trong nước từ 0,5 - 50 mg/l thì nên xác ñịnh bằng phương pháp trắc quang

với thuốc thử axit disunfofenic.

Nút len bông tẩm dung dịch chì axetat

Bình phản ứng

Ống hấp thụ

99

Hàm lượng Cl- lớn hơn 10 mg/l sẽ ngăn cản việc xác ñịnh. ảnh hưởng ñó ñược loại trừ bằng cách pha loãng dung dịch hoặc thêm Ag2SO4 vào làm kết tủa Cl-.

Trình tự phân tích:

Dùng 100 ml mẫu nước chứa không quá 5 mg NO3-, trung hòa ñến pH = 7, chuyển vào chén sứ và

cô cạn trên bếp cách thủy. Thêm 2 ml dung dịch axit disunfofenic vào phần cặn trong chén và dùng ñũa thủy tinh nhỏ, sạch hòa tan hoàn toàn, nếu cần vừa khuấy vừa ñun cách thủy. Thêm vào 20 ml nước cất, 6 - 7 ml NH3 ñặc hoặc 5 - 6 ml KOH 12N. Nếu trong dung dịch có kết tủa các hydroxit kim loại thì phải lọc qua phễu lọc thủy tinh xốp hoặc phải thêm vào dung dịch EDTA trong NH3 ñể hòa tan kết tủa. Chuyển dung dịch trong suốt vào bình ñịnh mức cỡ 50 ml, ñịnh mức bằng nước cất và tiến hành ño mật ñộ quang tại bước sóng λ = 410 nm.

Xây dựng ñường chuẩn: Làm bay hơi ñến khô trên bếp cách thủy 50 ml dung dịch chuẩn NO3-.

Thêm 2 ml dung dịch axit disunfofenic vào phần cặn khô, khuấy nhẹ bằng ñũa thủy tinh nhỏ ñến khi tan hoàn toàn, ñịnh mức bằng nước cất tới 100 ml.

Chuẩn bị một loạt bình ñịnh mức có dung tích 50 ml, lần lượt thêm vào mỗi bình 0; 0,1; 0,3; 0,5; 0,7; 1; 2; 5; 10; 15; 20; 30 ml dung dịch chuẩn có màu như ñã chuẩn bị ở trên. Thêm vào 2 ml dung dịch axit disunfofenic và cùng một lượng KOH như ñã làm với mẫu. ðịnh mức bằng nước cất tới thể tích 50 ml, rồi tiến hành so màu.

Tính kết quả:

Dựa vào ñường chuẩn thiết lập mối tương quan hàm số y = a.x + b

Trong ñó: y : Hàm lượng NO3- có trong mẫu

x : Mật ñộ quang ño ñược

Từ ñó xác ñịnh ñược hàm lượng NO3- có trong mẫu nước ñem ñi phân tích.

7.4.14. Xác ñịnh bạc (Ag)

Bạc thường có trong nước chảy ra từ một số mỏ và thường có trong nước thải của công nghiệp ảnh. Trong nước bạc tồn tại dưới dạng phức tan hoặc hợp chất không tan, chủ yếu là bạc halogenua. ðể xác ñịnh bạc trong nước có thể dùng phương pháp trắc quang dithizon hoặc rodanin. ðể bảo quản mẫu nước khi phân tích bạc cần thêm 5 ml HNO3 ñặc vào 1lít nước.

Ion Ag+ phản ứng với rodanin tạo thành kết tủa ñỏ, khi lượng bạc nhỏ thì tạo thành dung dịch keo. ðể làm ổn ñịnh dung dịch keo ñó, thường dùng dung dịch gelatin. Phản ứng này khá ñặc trưng và chọn lọc ñối với bạc. Trước khi xác ñịnh cần phá huỷ các vẩn ñục bằng cách vô cơ hóa mẫu nước.

Trình tự phân tích:

Lấy 50 ml dung dịch mẫu trong suốt (ñã ñược vô cơ hóa), cho vào cốc dung tích 100 ml, thêm vào 2 ml dung dịch kalinatritactrat, 2 ml NH3, 1 ml gelatin. Sau khi trộn ñều hỗn hợp, thêm vào 0,5 ml rodanin và sau 5 phút thì tiến hành ño mật ñộ quang.

Xây dựng ñường chuẩn: ðường chuẩn ñược lập với dãy dung dịch có chứa 0; 0,5; 1; 8; 10 ml dung dịch có chứa 0,01 mgAg/ml. Rồi pha loãng bằng nước cất hai lần tới thể tích 50 ml. Tiến hành như ñối với mẫu phân tích.

Tính kết quả:

Dựa vào ñường chuẩn thiết lập mối tương quan hàm số y = a.x + b

Trong ñó y : Hàm lượng Ag có trong mẫu

100

x : Mật ñộ quang ño ñược

Từ ñó sẽ xác ñịnh ñược hàm lượng Ag có trong mẫu

Hóa chất:

Kali natri tactrat 20%

Amoniac 10%

Gelatin 1%

Rodanin 0,03% trong axeton, ñựng trong chai màu nâu, ñể chỗ mát, dung dịch bền trong 2 tuần.

7.4.15. Xác ñịnh Beri (Be)

Beri là kim loại màu xám sáng, không gặp trong thiên nhiên ở dạng tinh khiết, tỷ khối 1,85; nhiệt ñộ nóng chảy 12840C; nhiệt ñộ sôi 24710C; beri clorua và beri sunfat ổn ñịnh trong nước, nồng ñộ của chúng giảm ñến 30 - 35% so với nồng ñộ ban ñầu chỉ trong khoảng 5 giây.

Hàm lượng trong nước thiên nhiên của Be dao ñộng trong khoảng 0,00001 - 0,0012 mg/l. Hàm lượng Be cao trong nước thiên nhiên thường gặp ở các nơi có vỉa beri và trong nước có lượng lớn các ion F- và SO4

2-. Beri thường có trong nước thải của các nhà máy luyện kim, chế tạo máy, xử lý dầu mỏ và các xí nghiệp ñiện tử.

ðối với người và ñộng vật máu nóng, khi hàm lượng Be trong nước cao sẽ gây nhiễm ñộc cấp tính và tác ñộng tích luỹ. Các muối NO3

-, Cl- và SO42- của Be rất ñộc. Khi hàm lượng Be2+ (mg/kg

trọng lượng cơ thể) ở dạng muối sunfat là 80 thì 50% chuột bị chết; ở dạng clorua là 92. Cả hai dạng hợp chất này ñều có khả năng tích luỹ.

Với lượng 0,00001 mg/kg thể trọng hay 0,0002 mg/l nước thì không gây nguy hiểm.

ðối với ñộng vật sống trong nước, khi hàm lượng muối bericlorua là 15 mg/l nước cứng thì làm chết cá tuế, 0,05 mg/l làm chết rận nước. Khi hàm lượng muối berisunfatlà 1,3 mg/l nước mềm thì làm chết cá rô.

Khi nồng ñộ Be là 10 mg/l thì làm giảm ñộ trong của nước; 0,5 - 1,0 mg/l sẽ kìm hãm các quá trình tự làm sạch sinh học trong hồ chứa và quá trình sinh sản của hệ vi thực vật; nồng ñộ 0,005 mg/l thì không có ảnh hưởng ñến quá trình tự làm sạch của hồ chứa.

Nồng ñộ Be từ 15 - 20 mg/l sẽ kìm hãm sự nảy mầm của hạt rau diếp và cải canh.

Nồng ñộ giới hạn cho phép (mg/l):

+ Nước uống: Tuỳ theo tiêu chuẩn từng nước, ở Liên Xô (cũ) là 0,0002

+ Nước sử dụng nông nghiệp và nước sinh hoạt : Liên Xô (cũ) là 0,0002

+ Nước tưới cho tất cả các loại ñất (tưới lâu dài): 0,5

Phương pháp xác ñịnh:

Có thể xác ñịnh Be theo phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử, phương pháp phổ phát xạ plasma ICP (Inductively Coupled Plasma) và phương pháp trắc quang. Tuy nhiên, phương pháp trắc quang cho ñộ chính xác kém hơn so với hai phương pháp trên.

101

Phương pháp Aluminon

Nguyên lý: Dung dịch thuốc thử aluminon phản ứng với Be tạo thành hợp chất màu ñỏ sẫm, hấp thụ cực ñại tại bước sóng 515 nm. Thêm một lượng nhỏ chất tạo phức EDTA sẽ ngăn cản ảnh hưởng của Al, Co, Cu, Fe, Mn, Ni, Ti, Zn và Zirconi ở hàm lượng vừa phải ñến quá trình xác ñịnh Be.

Trong ñiều kiện như vậy khi hàm lượng Cu không vượt quá 10 mg trong lượng mẫu phân tích sẽ không ảnh hưởng ñến phép xác ñịnh. Nếu lượng cao hơn thì cần tăng lượng EDTA thêm vào. Phức của Cu hấp thụ không ñáng kể ở bước sóng 515 nm. Có thể loại trừ ảnh hưởng này bằng cách thêm một lượng Cu tương ñương vào thang chuẩn.

Bảo quản mẫu:

Axit hóa toàn bộ mẫu phân tích trong khi bảo quản ñể giữ các kim loại trong dung dịch và ngăn ngừa chúng bám lên thành bình. Nếu nước sạch không có các chất lơ lửng thì mỗi lít mẫu thêm vào 1,5 ml HNO3 ñặc ñể ñưa pH của mẫu ñến 2. Nước mặt ở ao hồ và nước thải có thể chứa các trầm tích thì cần phải thêm nhiều axit hơn.

Dụng cụ:

Máy so màu quang ñiện, kính lọc màu xanh lục, bước sóng 515 nm, cuvet dày 5 cm.

Thuốc thử:

Dung dịch Beri gốc: Hòa tan 0,9837 g berisunfat ngậm 4 phân tử nước, tinh khiết 99,9% trong 100 ml nước cất, nếu cần thì lọc sau ñó thêm nước cất tới 500 ml, 1 ml dung dịch này chứa 100 µg Be.

Dung dịch chuẩn sử dụng: Hút 5 ml dung dịch gốc cho vào bình ñịnh mức 100 ml rồi ñịnh mức bằng nước cất tới vạch mức, 1 ml dung dịch này chứa 5 µgBe.

Dung dịch EDTA: Hòa tan 2,5 g EDTA trong 30 ml nước cất, thêm vào 1 giọt metyl ñỏ 0,05% pha trong rượu. Trung hòa dung dịch bằng NH4OH ñặc, lạnh và thêm nước cất ñến 100 ml.

Dung dịch ñệm aluminon: Cân 500 g CH3COONH4 cho vào trong cốc dung tích 2 lít trong ñó ñã có sẵn 1 lít nước cất. Thêm vào 80 ml axit axetic ñặc và khuấy cho ñến khi ñược dung dịch ñồng nhất, nếu cần thì lọc. Hòa tan 1 g aluminon (aurintricacboxilic axit triamnonium) trong 50 ml nước cất rồi ñổ vào cốc chứa dung dịch ñệm trên. Hòa tan 3 g axit benzoic (C7H6O2) trong 20 ml rượu metylic rồi thêm vào cốc ñựng dung dịch ñệm trên, ñịnh mức bằng nước cất tới vạch mức 2 lít.

Gelatin: Cân 10 g gelatin cho vào trong cốc có thể tích 400 ml ñã có sẵn 250ml nước cất. ðặt cốc trên bếp cách thủy và khuấy cho ñến khi gelatin tan hoàn toàn. Rót gelatin nóng vào trong bình ñịnh mức 1 lít ñã có sẵn 500 ml nước cất. ðể nguội ñến nhiệt ñộ phòng thêm nước cất tới vạch mức và lắc ñều. ðổ dung dịch gielatin và dung dịch ñệm trên vào lọ thủy tinh tối màu có thể tích 4 lít. Lắc ñều, giữ ở nơi lạnh và tối, dung dịch bền trong khoảng ít nhất 1 tháng.

Trình tự phân tích:

Xử lý mẫu: Nếu trong mẫu có chất hữu cơ mà cần xác ñịnh hàm lượng Be tổng số thì phải xử lý mẫu bằng dung dịch HNO3 và H2SO4. Còn chỉ xác ñịnh Be hòa tan thì lọc qua màng lọc 0,45 µm.

Tạo phức với thuốc thử aluminon: Dùng pipet hút 0; 0,1; 0,5; 1; 2; 3; 4 ml dung dịch Be chuẩn sử dụng cho vào các bình ñịnh mức 100 ml. Lấy 50 ml dung dịch mẫu hoặc lượng mẫu chứa ít hơn 200 µg Be cho vào bình ñịnh mức 100 ml. Thêm vào mỗi bình 2 ml EDTA rồi thêm nước cất tới thể tích khoảng 75 ml, lắc ñều. Thêm 15 ml dung dịch ñệm aluminon, rồi thêm nước cất tới 100 ml và lắc ñều hỗn hợp. Giữ yên 20 phút sau khi thêm aluminon, chú ý không ñể nơi sáng, lọc nếu thấy cần thiết. ðo

102

mật ñộ quang trong cuvet có chiều dày 5 cm tại bước sóng λ = 515 nm (kính lọc màu xanh lục). Dung dịch so sánh là mẫu trắng.

Tính kết quả:

Dựa vào ñường chuẩn xây dựng mối tương quan hàm số y = ax+b.

Trong ñó: y : Hàm lượng Be

x : Mật ñộ quang

Từ ñó thay giá trị mật ñộ quang ño ñược của mẫu vào sẽ xác ñịnh ñược hàm lượng Be.

ðộ chính xác và ñộ lệch:

Kết quả của 32 phòng thí nghiệm khi phân tích mẫu tổng hợp chứa 250 µg Be/l; 40 µg As/l; 240 µg Se/l; 6 µg V/l; cho thấy Be ñã ñược phân tích với ñộ lệch chuẩn tương ñối là 7,13% và sai số tương ñối là 13%.

7.5. Xác ñịnh một số tính chất khác của nước

7.5.1. Xác ñịnh hàm lượng oxi hòa tan trong nước (DO)

Lượng oxi hòa tan trong nước rất nhỏ thường khoảng 8 - 10 mg/l. ðộ bão hòa của oxi hòa tan trong nước ngọt sạch ở 0 0C là 14 - 15 mg/l. Thông thường lượng oxi hòa tan trong nước chỉ chiếm 70 - 85% lượng bão hòa. Lượng oxi hòa tan trong nước thiên nhiên và nước thải phụ thuộc vào các hoạt tính sinh hóa, hóa học và lý học trong nước. Phân tích DO là một trong những mục tiêu quan trọng ñể ñánh giá mức ñộ ô nhiễm nước, kiểm tra những hoạt tính và quá trình xử lý chất thải.

ðể xác ñịnh DO có thể sử dụng các phương pháp như: Phương pháp cải tiến azid, phương pháp ñiện cực màng nhạy với oxi và máy ño.

Phương pháp cải tiến azid ñược sử dụng cho mẫu nước cống ñặc, các mẫu nước sông...

Nguyên lý của phương pháp này như sau: Trong môi trường kiềm Mn2+ bị oxi hòa tan trong nước oxi hóa ñến Mn4+ dưới dạng MnO2

Mn2+ + 2OH- + 1/2 O2 = MnO2 + H2O

Khi có mặt H+, Mn4+ bị I- khử ñến Mn2+

MnO2 + 2I- + 4H+ = Mn2+ + 2H2O + I2

Dùng Na2S2O3 chuẩn lượng I2 giải phóng ra với chỉ thị hồ tinh bột, từ ñó xác ñịnh ñược hàm lượng oxi hòa tan.

Trình tự phân tích:

Lấy 300 ml mẫu nước cho vào chai có thể tích lớn hơn 300 ml. Thêm vào 2 ml dung dịch MnSO4 và 2 ml dung dịch I-. ðậy nút và dốc ngược chai 15 lần ñể trộn ñều dung dịch. Thêm cẩn thận 2 ml H-

2SO4 ñặc vào thành chai rồi ñậy nút và dốc ngược chai vài lần. Lấy 204 ml dung dịch tương ứng với 200 ml mẫu nước cho vào bình tam giác, thêm vào 3 - 4 giọt tinh bột rồi chuẩn ñộ bằng dung dịch Na2S2O3 0,025N ñến khi dung dịch mất màu xanh và trở nên trắng ngà.

Tính kết quả:

Lượng oxi hòa tan ñược tính theo mg/l. Cứ 1 ml dung dịch Na2S2O3 0,025N tương ñương với 0,2 mg DO.

Hóa chất:

Dung dịch MnSO4: Hòa tan 480 g MnSO4.4H2O trong nước cất, lọc rồi ñịnh mức tới 1 lít.

103

Dung dịch I- trong kiềm: Hòa tan 500 g NaOH (hay 700g KOH) và 135 g NaI (hay 150 g KI) trong nước cất và ñịnh mức tới 1 lít. Thêm vào dung dịch này NaN3 ñã hòa tan trong 40 ml nước cất.

H2SO4 ñặc

Hồ tinh bột 1%

Dung dịch Na2S2O3 0,025N: Hòa tan 6,205 g Na2S2O3.5H2O trong nước cất mới sôi rồi làm lạnh bằng nước cất, thêm nước cất tới 1 lít.

Ngoài phương pháp trên người ta còn dùng phương pháp xác ñịnh hàm lượng oxi hòa tan trong nước bằng cách ño trên ñiện cực.

Dưới ñây là bảng thể hiện hàm lượng oxi hòa tan (mg/l) trong nước ở áp suất 760 mmHg và ñộ ẩm tương ñối là 100% (theo EAWAG, 1973):

0C 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

0 14,60 14,56 14,52 14,48 14,44 14,40 14,36 14,33 14,29 14,25

1 14,21 14,17 14,13 14,09 14,05 14,02 13,98 13,94 13,90 13,87

2 13,83 13,79 13,75 13,72 13,68 13,64 13,61 13,57 13,54 13,50

3 13,46 13,46 13,39 13,36 13,32 13,29 13,25 13,22 13,18 13,15

4 13,11 13,08 13,04 13,01 12,98 12,94 12,91 12,88 12,84 12,81

5 12,78 12,74 12,71 12,68 12,64 12,61 12,58 12,55 12,52 12,48

6 12,45 12,42 12,39 12,36 12,33 12,29 12,26 12,23 12,20 12,17

7 12,14 12,11 12,08 12,05 12,02 11,99 11,96 11,93 11,90 11,87

8 11,84 11,81 11,78 11,76 11,73 11,70 11,67 11,64 11,61 11,58

9 11,56 11,35 11,50 11,47 11,44 11,42 11,39 11,36 11,34 11,31

10 11,28 11,25 11,23 11,20 11,17 11,15 11,12 11,10 11,07 11,04

11 11,02 10,99 10,97 10,94 10,91 10,89 10,86 10,84 10,81 10,79

12 10,76 10,74 10,72 10,69 10,67 10,64 10,62 10,59 10,57 10,55

13 10,52 10,50 10,47 10,45 10,43 10,40 10,38 10,36 10,34 10,31

14 10,29 10,27 10,24 10,22 10,20 10,18 10,15 10,13 10,11 10,09

15 10,07 10,04 10,02 10,00 9,98 9,96 9,94 9,92 9,98 9,87

16 9,85 9,83 9,81 9,79 9,77 9,75 9,73 9,71 9,69 9,67

17 9,65 9,63 9,61 9,59 9,57 9,55 9,53 9,51 9,49 9,47

18 9,45 9,43 9,41 9,39 9,37 9,36 9,34 9,32 9,30 9,28

19 9,26 9,24 9,23 9,21 9,19 9,17 9,15 9,13 9,12 9,10

20 9,08 9,06 9,05 9,03 9,01 8,99 8,98 8,96 8,94 8,92

21 8,91 8,89 8,87 8,86 8,84 8,82 8,81 8,79 8,77 8,76

22 8,74 8,72 8,71 8,69 8,67 8,66 8,64 8,63 8,61 8,59

23 8,58 8,56 8,55 8,53 8,51 8,50 8,48 8,47 8,45 8,44

24 8,42 8,41 8,39 8,38 8,36 8,35 8,33 8,32 8,30 8,29

25 8,27 8,26 8,24 8,23 8,21 8,20 8,18 8,17 8,16 8,14

104

26 8,13 8,11 8,10 8,08 8,07 8,06 8,04 8,03 8,01 8,00

27 7,99 7,97 7,96 7,94 7,93 7,92 7,90 7,89 7,88 7,86

28 7,85 7,84 7,82 7,81 7,80 7,78 7,77 7,76 7,74 7,73

29 7,72 7,70 7,69 7,68 7,66 7,65 7,64 7,63 7,61 7,60

30 7,59 7,57 7,56 7,55 7,54 7,52 7,51 7,50 7,49 7,47

Nếu gọi y là hàm lượng O2 hòa tan trong nước ở một áp suất xác ñịnh thì ta có.

y = S.Pm / 760

Trong ñó: Pm : áp suất tại thời ñiểm xác ñịnh

S : Là hàm lượng O2 hòa tan trong nước tại áp suất 760 mmHg

theo bảng trên.

7.5.2. Xác ñịnh nhu cầu oxi hóa học (COD)

Chỉ số này dùng ñể ñánh giá hàm lượng chất hữu cơ của nước thải và sự ô nhiễm nước tự nhiên. COD là lượng oxi cần thiết cho quá trình oxi hóa hóa học các chất hữu cơ trong nước thành CO2 và nước.

ðể xác ñịnh COD người ta thường sử dụng một chất oxi hóa mạnh trong môi trường axit, chất thường ñược sử dụng là K2Cr2O7. Khi ñó xảy ra phản ứng:

Chất hữu cơ + K2Cr2O7 + H+ CO2 + H2O + 2Cr3+ + 2K+

Lượng dư Cr2O72- ñược chuẩn ñộ bằng dung dịch muối Fe2+ với chỉ thị axit phenylanthranilic,

màu chỉ thị chuyển từ tím ñỏ sang xanh lá cây.

Trình tự phân tích:

Lấy 20 ml mẫu nước cho vào bình hồi lưu, rồi thêm vào HgSO4 (10 mg Cl- thì cần 0,1 g HgSO4). Thêm vào 10 ml dung dịch K2Cr2O7 0,025N và một vài hạt thủy tinh. Lắp ống sinh hàn thủy tinh nhám. Thêm vào từ từ 30 ml H2SO4 ñặc có chứa Ag2SO4 qua phần cuối ống sinh hàn và lắc ñều hỗn hợp trong khi thêm axit. ðun hồi lưu trong hai giờ. ðể nguội và rửa sinh hàn hồi lưu bằng nước cất. Pha loãng hỗn hợp bằng nước cất tới thể tích khoảng 150 ml, ñể nguội. Chuẩn lượng dicromat dư bằng muối Fe2+, với chỉ thị axit phenylanthranilic. Cũng tiến hành một thí nghiệm mẫu trắng như ñối với mẫu phân tích.

Tính kết quả:

COD (mg/l) = (a - b).N. 8000/ 20 ml mẫu

a : Thể tích Fe2+ chuẩn ñộ mẫu trắng (ml)

b : Thể tích Fe2+ chuẩn ñộ mẫu (ml)

N : Nồng ñộ ñương lượng của dung dịch Fe2+

Hóa chất:

K2Cr2O7 0,025N: Hòa tan 12,259 g K2Cr2O7 ñã sấy khô hai giờ ở 1050C, trong nước cất và thêm nước tới vạch mức.

Ag2SO4

t0

105

H2SO4 ñặc có thêm 22 g Ag2SO4 cho một chai 9 lít.

Dung dịch Fe2+ 0,1N: Hòa tan 39 g Fe(NH4)2SO4.6H2O tinh khiết trong nước cất, thêm 20 ml H2SO4 ñặc, ñể nguội rồi ñịnh mức tới 1 lít.

Ag2SO4 tinh khiết hóa học.

HgSO4 tinh khiết hóa học.

Chỉ thị 1%: Hòa tan 0,2 g axit phenylanthranilic trong 100 ml Na2CO3 0,2%.

7.5.3. Xác ñịnh nhu cầu oxi sinh hóa (BOD)

Nhu cầu oxi sinh hóa là lượng oxi ñã sử dụng trong quá trình oxi hóa các chất hữu cơ bởi các vi sinh vật. Trong nước khi xảy ra quá trình oxi hóa sinh học thì các vi sinh vật sử dụng oxi hòa tan. Vì vậy việc xác ñịnh tổng lượng oxi hòa tan cần thiết cho quá trình phân huỷ sinh học là rất quan trọng ñể ñánh giá ảnh hưởng của dòng chảy ñối với nguồn nước.

Trong thực tế, người ta không thể xác ñịnh ñược lượng oxi cần thiết ñể phân huỷ hoàn toàn chất hữu cơ, mà chỉ cần xác ñịnh lượng oxi cần thiết cho 5 ngày ñầu với nhiệt ñộ ủ 200C trong phòng tối ñể tránh quá trình quang hợp, chỉ tiêu này kí hiệu là BOD5.

Phương pháp xác ñịnh:

- Chuẩn bị dung dịch pha loãng: Nước pha loãng ñược chuẩn bị ở chai to, rộng miệng bằng cách thổi không khí sạch ở 200C vào nước cất và lắc nhiều lần cho ñến khi bão hòa oxi, sau ñó thêm 1 ml dung dịch ñệm photphat, 1ml dung dịch MgSO4, 1 ml CaCl2 và 1 ml FeCl3, rồi ñịnh mức tới 1 lít bằng nước cất. Trung hòa mẫu nước phân tích ñến pH = 7 bằng H2SO4 1N hay bằng NaOH 1N. Pha loãng mẫu nước trước khi xác ñịnh bằng nước hiếu khí ñã chuẩn bị trước theo các mức sau:

0,1 - 1% ñối với những mẫu nước có dòng chảy mạnh

1 - 5% ñối với những mẫu nước cống chưa hoặc ñã ñể lắng

5 - 25% ñối với nước ñã bị oxi hóa

25 - 100% ñối với nước sông ñã bị ô nhiễm

Khi pha loãng cần hết sức tránh không ñể oxi cuốn theo. Sau khi pha loãng xong cho mẫu vào trong hai chai ñể xác ñịnh BOD (thường là chai có thể tích 300 ml), ñóng kín nút chai, một chai dùng ñể ủ 5 ngày ở nơi tối tại nhiệt ñộ 200C, một chai dùng ñể xác ñịnh DO ban ñầu trong mẫu pha loãng.

Tính kết quả:

Lượng BOD ñược tính theo mg O2/l

BOD5 = P

DD 21 −

Trong ñó:

D1 : Là lượng oxi hòa tan (mg/l) của dung dịch mẫu ñã pha loãng sau 15 phút.

D2 : Là lượng oxi hòa tan (mg/l) trong mẫu sau 5 ngày ủ

P : Là hệ số pha loãng ñược tính như sau

Thể tích mẫu nước ñem ñi phân tích

Thể tích mẫu nước + thể tích nước pha loãng P =

106

Hóa chất:

Dung dịch ñệm photphat: Hòa tan 8,5 g KH2PO4, 21,75 K2HPO4, 33,4 g Na2HPO4.7H2O và 1,7g NH4Cl trong khoảng 500 ml nước cất rồi ñịnh mức tới 1 lít.

Dung dịch MgSO4; Hòa tan 22,5 g MgSO4.7H2O trong nước rồi ñịnh mức tới 1 lít.

CaCl2: Hòa tan 27,5 g trong 1 lít nước cất

FeCl3: Hòa tan 0,25 g FeCl3.6H2O trong 1 lít nước cất

H2SO4 1N và NaOH 1N

7.5.4. Xác ñịnh màu sắc

Nói chung nước thiên nhiên sạch không có màu. Trong thực tế nước thường có màu do sự có mặt của một số chất màu hữu cơ và các hợp chất của Fe3+. Nước thải có thể có sắc thái khác nhau. Trong nhiều trường hợp màu của nước còn do các vi sinh vật, các hạt bùn, các thực vật sống trong nước, các sunfua, các chất lơ lửng gây nên. Trước khi xác ñịnh màu, cần lọc mẫu nước. ðối với nước có chứa nhiều chất lơ lửng, cần ñể lắng rồi xác ñịnh màu của phần nước trong. Việc xác ñịnh chính xác và hoàn toàn khách quan màu của nước là việc tương ñối khó, nhiều khi phải mô tả về sắc thái và cường ñộ màu bằng lời chứ không phải bằng con số ñịnh lượng.

Có thể xác ñịnh màu sắc của nước bằng mắt dựa trên sự so sánh với một loạt mẫu chuẩn hoặc bằng cách ghi phổ hấp thụ của mẫu nước trong miền khả kiến. Cách thứ nhất rõ ràng không ñược chính xác, chỉ cho ta biết sắc thái và cường ñộ gần ñúng của màu (ñộ ñậm nhạt). Cách thứ hai chính xác, khách quan, nhưng ñòi hỏi phải có thiết bị ñắt tiền và không thực hiện ñược trong những ñiều kiện phân tích tại chỗ.

Dưới ñây là phương pháp xác ñịnh màu sắc của nước theo cách so sánh với dãy dung dịch chuẩn có màu sắc tương tự và việc so sánh ñược thực hiện bằng cách ño trên máy so màu quang ñiện. Trong thực tế nước thường có màu sắc gần với màu của dung dịch hỗn hợp K2Cr2O7 và CoSO4, nên người ta thường dùng dãy dung dịch của hỗn hợp ñó làm dãy chuẩn ñể so sánh xác ñịnh màu của nước.

Trình tự tiến hành:

ðường chuẩn: Chuẩn bị 10 ống ño Nessler, dùng pipet lấy lần lượt vào mỗi ống 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 14 ml dung dịch I và thêm dung dịch II ñến thể tích 100 ml. ðộ màu của dãy dung dịch chuẩn ñó ñược biểu diễn trên thang màu theo bảng sau:

Thể tích dung dịch I (ml) 0 1 2 3 4 5 6 8 10 12

Thể tích dung dịch II (ml) 100 99 98 97 96 95 94 92 90 84

ðộ màu 0 5 10 15 20 25 30 40 50 80

ðo mật ñộ quang của dung dịch chuẩn trên máy so màu, sử dụng cuvet có chiều dày 1 - 10 mm. ðể xác ñịnh ñộ màu của mẫu nước, cho nước vào cuvet và tiến hành ño màu như ñã làm ñối với mẫu.

Hóa chất và dụng cụ:

Máy so màu quang ñiện

ống ño Nessler, thể tích 100 ml

Dung dịch I: Hòa tan 0,0876 g K2Cr2O7, 2 g CoSO4.7H2O và 1 ml dung dịch H2SO4 ñặc trong nước cất thành 1 lít

Dung dịch II: Dung dịch H2SO4 loãng (1:1000)

107

7.5.5. Xác ñịnh ñộ dẫn ñiện riêng

Nước tinh khiết hầu như không dẫn ñiện, vì nước phân ly rất ít. Nhưng các chất tan trong nước phân ly thành các cation và anion nên các loại nước thiên nhiên cũng như nước thải lại có tính dẫn ñiện. ðộ dẫn ñiện riêng theo ñịnh nghĩa là giá trị nghịch ñảo của ñiện trở riêng (là ñiện trở của dung dịch nằm giữa hai cực có bề mặt 1 cm2 và cách nhau 1 cm) của dung dịch. Tại một nhiệt ñộ xác ñịnh ñộ dẫn ñiện riêng phụ thuộc vào nồng ñộ các cation và anion, tức là vào thành phần của dung dịch.

ðể xác ñịnh ñộ dẫn ñiện riêng của dung dịch người ta dùng máy ño ñộ dẫn (có thể ño ñiện trở trong khoảng 50 - 100000 Ω), dùng các cực platin và bình ñựng dung dịch nghiên cứu kèm theo máy.

Mẫu nước xác ñịnh ñộ dẫn ñiện thì không ñược xử lý và nên xác ñịnh ngay sau khi lấy mẫu.

ðể ño ñộ dẫn ñiện của dung dịch, người ta cho dung dịch vào bình ño, nhúng vào ñó hai cực platin, nối hai cực với máy ño. ðộ dẫn ñiện riêng ñược tính theo công thức:

χ = K/R

Trong ñó: χ : ðộ dẫn ñiện riêng

R : ðiện trở ño ñược

K : Hằng số tỷ lệ thường, ñược gọi là hằng số bình ño hoặc hằng số hệ cực. K phụ thuộc vào cấu tạo, kích thước của hệ cực và hình dạng của bình ño. Trước khi xác ñịnh ñộ dẫn ñiện riêng của dung dịch nghiên cứu phải xác ñịnh K, hoặc thường nói là chuẩn hóa hệ cực. ðể chuẩn hóa hệ cực người ta ño ñiện trở của dung dịch KCl có nồng ñộ xác ñịnh. K ñược tính theo công thức:

K = 1278.R.10-6

Trong ñó: R : Giá trị trung bình của ñiện trở dung dịch ño ñược 1278 : ðộ dẫn ñiện riêng cuả dung dịch KCl 0,01M ở 200C, µΩ-1.cm-1.

Trình tự tiến hành:

Chuẩn hóa hệ cực: Tráng bình ño 3 lần, mỗi lần bằng vài ml dung dịch KCl 0,01M, tráng hệ cực cũng bằng dung dịch ñó. Ngâm dung dịch và hệ cực trong máy ñiều nhiệt ñể có nhiệt ñộ 200C (kiểm tra bằng nhiệt kế có ñộ chính xác 0,10C). ðo ñiện trở của dung dịch trên máy ño ñộ dẫn và xác ñịnh K dựa vào công thức trên. Cho dung dịch chuẩn vào 5 - 10 bình và tiến hành ño như vậy, lấy kết quả trung bình ñể tính K.

ðổ nước vào hai bình ñã ñược tráng trước 3 lần mỗi lần bằng vài ml nước cần xác ñịnh ñộ dẫn, ngâm các bình vào bể nước của máy ñiều nhiệt ñã ñiều chỉnh sẵn ở 200C, cho ñến khi nước trong bình có ñược nhiệt ñộ ñó. Nhúng hệ cực vào bình thứ nhất nhiều lần ñể rửa hệ cực. Nhúng hệ cực vào bình thứ hai và ño ñiện trở. Ghi kết quả R ño ñược. Nếu phải ño nhiều mẫu có ñộ dẫn khác nhau, thì mỗi mẫu dùng 3 bình, hai bình ñể rửa hệ cực, bình thứ 3 ñể ño ñộ dẫn.

Có thể ño ở nhiệt ñộ khác nhau, nhưng phải xác ñịnh chính xác nhiệt ñộ ñó của nước. Rồi dùng bảng hiệu chỉnh ñể ñưa về ñộ dẫn ở 200C. ðộ dẫn ở 200C ñược tính theo công thức:

χ = K.f.106/R.

Trong ñó: K : Hằng số hệ cực

f : Hệ số hiệu chỉnh nhiệt ñộ

R : ðiện trở ño ñược.

108

Hóa chất và dụng cụ:

Dung dịch KCl 0,01M: Hòa tan 0,7456 g KCl tinh khiết hóa học ñã ñược sấy khô ở 1000C và ñể nguội trong bình hút ẩm trong nước cất hai lần thành 1 lít dung dịch ở 200C.

Máy ño ñộ dẫn (dùng dòng xoay chiều), có thể ño ñược ñiện trở từ 50 -100000 Ω.

Máy ñiều nhiệt.

109

Chương 8. Phân tích khí

8.1. Lấy mẫu không khí

Tầng thấp nhất của khí quyển ñến ñộ cao 11 km ñược gọi là tầng ñối lưu. Các khí trộn lẫn trong tầng ñối lưu có thành phần tương ñối ổn ñịnh và có ý nghĩa lớn ñối với ñời sống sinh vật. ở ñây, sự vận chuyển không khí xảy ra mạnh và hình thành các ñám mây ñược xem như là những yếu tố thời tiết có ảnh hưởng tới các hệ sinh thái của sinh quyển.

Bằng việc sử dụng các dụng cụ ñặc biệt, người ta có thể xác ñịnh ñược các tính chất khác nhau của không khí. Những phương pháp sau ñây ñã ñược sử dụng ñể lấy mẫu không khí. Có 2 nhóm phương pháp chính:

- Phương pháp tiếp cận lấy mẫu ướt:

Sử dụng chai hoặc ống lấy mẫu (hình 8.1) ñược làm ñầy bằng chất lỏng có khả năng hòa tan ít các chất khí. Trong nhiều trường hợp hay sử dụng nước ñã ñược axit hóa. Khi nước ñược tháo ñi, không khí sẽ xâm nhập vào thay thế. Trong phòng thí nghiệm, mẫu không khí có thể ñược chuyển sang dụng cụ phân tích bằng cách cho chất lỏng tương tự vào bình lấy mẫu.

Hình 8.1. Ống lấy mẫu khí

Nhược ñiểm của phương pháp này là một số chất khí có thể hòa tan vào chất lỏng. Ngược lại, chất lỏng cũng có thể bay hơi vào trong mẫu khí. Hơn nữa, khi lấy mẫu khí cũng như khi chuyển chất khí vào dụng cụ phân tích cần phải sử dụng một lượng khá lớn các chất lỏng.

- Phương pháp lấy mẫu khô:

Trong phương pháp này, khí ñược lấy vào trong bình lấy mẫu nhờ hệ thống bơm hoặc máy hút cho ñến khi thể tích của bình ñược trao ñổi với không khí ít nhất là 6 lần. Trong phòng thí nghiệm, không khí trong bình lấy mẫu ñược chuyển trực tiếp tới dụng cụ phân tích bằng chất lỏng (thích hợp nhất là dùng thủy ngân).

Thông thường, ñể kiểm tra những hợp phần ñặc biệt như hơi cồn, hơi chất ñộc trong không khí của vùng công nghiệp, mẫu khí có thể ñược ñưa trực tiếp vào trong các dụng cụ ño tại vị trí cần xác ñịnh. Bản chất của phép ño ñạc là khác nhau từ ñơn giản như ống hấp phụ với những chất ñặc biệt ñể cho vùng màu sắc tương ứng với hàm lượng của chúng, ñến các dụng cụ ñắt tiền ñể ño CO và SO2.

110

Không khí cần phân tích ñược bơm qua "bình phản ứng" nơi ñã có sẵn các chất hóa học cần thiết. Sản phẩm ñược hình thành có thể ñược xác ñịnh bằng phương pháp so màu hoặc một số kỹ thuật khác.

ðể lấy một lượng nhỏ mẫu khí, có thể sử dụng bơm hút bằng nhựa có nắp ñậy rất thuận tiện ñể lấy mẫu và chuyển mẫu khí sang dụng cụ ño.

Một số dụng cụ khác ñể lấy mẫu khí là một bình có thể bơm khí vào ở áp suất lớn hơn ở khí quyển (như quả bóng chẳng hạn). Do ñược nén ở áp suất lớn nên chúng dễ dàng chuyển sang dụng cụ ño. Tuy nhiên, do bị nén ở áp suất cao nên các khí có thể khuyếch tán qua vỏ bình với các tốc ñộ khác nhau. Vì vậy, không nên ñể mẫu lâu quá sẽ ảnh hưởng ñến thành phần của chúng.

ðối với một chất khí nào ñó có khả năng hòa tan tốt trong nước, có thể dùng nước ñể hấp thụ làm tăng hàm lượng của chúng cho quá trình phân tích. Thường sử dụng nước có thêm những chất thích hợp ñể tăng khả năng hấp thụ của chúng.

Khí ñược phân tích ñược lọc qua màng lọc ñể xác ñịnh các phần tử rắn bằng kính hiển vi hay phương pháp hóa học.

ðể quan trắc khói xả từ nhà máy hoặc xe cộ vào trong không khí việc phân tích cần phải tiến hành ở cả dòng ñốt kiệt và tại ống xả của xe.

Sơ ñồ dụng cụ lấy mẫu khí ngoài khí quyển:

8.2. Xác ñịnh một số tính chất vật lý của không khí

Cường ñộ gió: Gió ñược xem là yếu tố sinh thái quan trọng vì nó có khả năng làm thay ñổi không khí và các yếu tố môi trường như nhiệt ñộ, ánh sáng, cân bằng nước,...Gió cũng là yếu tố ảnh hưởng ñến ñời sống của thực vật cũng như ñộng vật.

Bawfort ñưa ra 12 cấp ñánh giá dựa vào tốc ñộ gió như sau (bảng 8.1)

Bảng 8.1. Phân loại gió

Cấp gió Loại gió Tốc ñộ gió (km/h)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Lặng gió (Calm)

Khí chuyển ñộng nhẹ (light air)

Gió rất nhẹ (Light breeze)

Gió nhẹ (Gentle breeze)

Gió mát (Fresh breeze)

Gió trung bình (Moderate breeze)

Gió mạnh (Strong breeze)

Gần lốc (Near gale)

Lốc (Gale)

< 1

1 - 5 (3)

6 - 11(9)

12 - 19 (16)

20 - 28 (24)

29 - 38 (34)

39 - 49 (44)

50 - 61 (55)

62 - 74 (68)

ðầu hút

Bộ lọc bụi và giá ñỡ Bình hấp thụ Bộ lọc bảo vệ Bơm hút ðồng hồ ño lưu lượng và nhiệt kế

111

9

10

11

12

Lốc mạnh (Strong gale)

Bão (Storm)

Bão mạnh (Violent storm)

Bão rất mạnh (Hurri cane)

75 - 88 (82)

89 - 102 (96)

103 - 117 (110)

> 117

* Số trong ngoặc chỉ giá trị trung bình

Có nhiều dụng cụ khác nhau dùng ñể ño tốc ñộ gió (ñược gọi chung là máy ño gió Anemometer).

- Loại quay vòng: Có hình dạng như ở hình 8.2 gồm 3 nửa hình cầu hướng gió và làm quay ñồng hồ ño gắn ở trục xung quanh. Loại này ñược sử dụng rất phổ biến ở các trạm khí tượng. Tốc ñộ gió

ñược tính bằng m/s hoặc km/h.

Hình 8.2. Thiết bị ño gió kiểu hình chén Hình 8.3. Thiết bị ño gió kiểu cối xay

Một dạng khác như ở hình 8.3 có 1 vòng tròn dẹt và 1 chong chóng quay, có thể mang vác và di chuyển dễ dàng.

- Loại ño gió dạng ñĩa áp lực: ðĩa áp lực có ñường kính khảng 30 cm. Khi gió tác ñộng vào ñĩa này sẽ ñược chuyển thành sự chuyển ñộng của tỷ lệ chia trên bảng chia ñộ.

Hướng gió: Hướng gió ñược xác ñịnh dựa vào ñịa bàn từ tính. Các hướng ñược chia làm 16 tỷ lệ theo hướng ñịa lý (hình 8.4).

Hình 8.4. ðịa bàn từ tính

áp suất khí quyển: Khi lên cao áp suất sẽ giảm, trung bình sẽ giảm ñi 1/30 khi lên cao 275 m. Tuy nhiên, tỷ lệ và thành phần của khí quyển thì hầu như không thay ñổi ở tầng gần mặt ñất. áp suất không khí không chỉ thay ñổi theo ñộ cao mà còn thay ñổi theo nhiệt ñộ. Tại ñộ cao 0 m (so với mặt biển trung bình) thì áp suất không khí là 1013,25 milibars (760 mmHg). Do sự biến ñộng của áp suất khí quyển giữa các vùng khác nhau nên hình thành sự chuyển ñộng của không khí trên bề mặt ñất. áp

112

suất khí quyển có liên quan tới nhiều yếu tố vật lý như thời tiết và khí hậu. áp khí quyển cũng là một chỉ tiêu môi trường.

ðể ño áp suất, người ta sử dụng máy ño (Barometer) dựa trên nguyên tắc nâng cao hay hạ thấp của cột thủy ngân bên trong ống thủy tinh. Kết quả ñược biểu diễn bằng mmHg hoặc milibars.

Nhiệt ñộ: Nhiệt ñộ là yếu tố sinh thái ñược ñề cập tới rất nhiều vì tác ñộng quan trọng của nó tới quá trình tổng hợp vật chất, sinh trưởng và phát triển của sinh vật.

Các sinh vật có khả năng thích ứng với biên ñộ dao ñộng rộng của nhiệt ñộ ñược gọi là Eurythermal, và dao ñộng hẹp ñược gọi là Stenothermal.

Nhiệt ñộ biến ñộng mạnh trong môi trường không khí và nước và có ảnh hưởng tới môi trường, nhất là ñộ ẩm và gió. Tuy nhiên, sự dao ñộng nhiệt theo ngày ñêm, mùa có ý nghĩa quan trọng hơn

trong sinh thái học so với các số liệu ñơn lẻ.

Nhiệt kế ño nhiệt ñộ tối ña và tối thiểu có dạng như hình 8.5.

Cấu tạo gồm 1 ống hình thủy tinh có dạng chữ U, bình chứa ở nhánh bên trái có dạng ống hình thẳng, còn ở bên phải có dạng hình quả lê. Phần dưới của ống hình chữ U ñược chứa ñầy thủy ngân và phần còn lại là Creosote. Bình chứa ở phía trái ñược làm ñầy một cách liên tục bằng Cresote, còn ở bình chứa dạng quả lê ở bên phải là ngắt quãng. Thước nhiệt ñộ ñã ñược chế tạo cố ñịnh ở từng nhánh trái và phải của ống chữ U, phía trái là nhiệt ñộ tối thiểu, còn nhánh phải là nhiệt ñộ tối ña. Sẽ xuất hiện một lớp mỏng trên bề mặt lớp thủy ngân, nếu như có sắt ở trong mao quản, lớp này sẽ di chuyển theo mực thủy ngân.

Buổi sáng, người ta dùng một nam châm từ tính hình móng ngựa ñể ñặt mức thủy ngân ở hai nhánh. ðể nhiệt kế trong bóng râm 24 giờ, nhiệt ñộ sẽ ñược ghi lại ở 2 nhánh của nhiệt kế. Nhiệt ñộ tối

thiểu ñược ghi nhận ở nhánh bên trái và nhiệt ñộ tối ña ñược ghi nhận ở nhánh bên phải.

Hình 8.5. Sơ ñồ nhiệt kế Hình 8.6. Sơ ñồ ẩm kế

Mảnh vải mỏng

D W

113

ðộ ẩm tương ñối (RH): ðộ ẩm biểu thị hàm lượng hơi nước có trong không khí, thông thường dao ñộng trong khoảng 0,02 - 4% khối lượng. ðộ ẩm phụ thuộc rất nhiều vào ñộ cao và nhiệt ñộ. ðộ ẩm sẽ giảm dần khi lên cao và gần như bằng không ở ñộ cao 8 - 10 km. ðộ ẩm tuyệt ñối là lượng hơi nước có mặt trong không khí (biểu thị bằng tỷ lệ về khối lượng) và ñược biểu thị là lượng hơi nước

bão hòa có trong không khí ở nhiệt ñộ và áp suất nào ñó. Biên ñộ ẩm có ảnh hưởng ñến quá trình bay hơi nước. Nó có ảnh hưởng ñến nhiệt ñộ, ánh sáng và có vai trò quan trọng nhằm ñiều chỉnh sự phân

bố và hoạt ñộng của sinh vật.

ðể ño ñộ ẩm tương ñối người ta dùng máy ño ñộ ẩm loại quay số (Dial type hydrometer), loại ghi ñồ thị (Hydrographs), hay bộ cảm ứng ñiện tử (Electrical sensing device). Tuy nhiên, loại ño ñộ ẩm

(Psychrometer) ñược sử dụng nhiều nhất.

Máy ño ẩm (Psychrometer) gồm 2 bầu nhiệt kế (hình 8.6), một bên khô (O) và một bên ướt (W). Bầu nhiệt kế ướt ñược duy trì ñộ ẩm tuyệt ñối bằng cách bọc quanh nó một lớp vải mỏng ñược nhúng

vào trong nước.

8.3. Một số tính chất hóa học của không khí

Hỗn hợp của nhiều loại khí với các hạt nhỏ rắn và lỏng tạo thành 1 lớp vỏ khí quyển bao quanh Trái ñất ñến ñộ cao trên dưới 10.000 km. Trong ñó, khoảng 95% vật chất của khí quyển tập trung ở ñộ cao dưới 19 km.

Bảng 8.2. Thành phần của không khí khô, sạch ở ñộ cao của mặt nước biển

Chất khí Hàm lượng *

N2

O2

CO2

CO

N2O (ñi nitơ oxit)

NO2 (Nitơ ñioxit)

SO2

He(Heli)

Ne (Neon)

Ar (Argon)

Kr (Krypton)

Xe (Xenon)

NH3 (Amoniac)

H2 (Hydro)

CH4 (Metan)

O3 (Ozon)

78,085 %

20,916 %

320 ppm

0,1 ppm

0,5 ppm

0,02 ppm

1 ppm

5,24 ppm

18,18 ppm

9340 ppm (0,934%)

1,14 ppm

0,087 ppm

0 ñến vết

0,5 ppm

2 ppm

0,02 - 0,07 ppm

(thay ñổi theo mùa)

* : % theo thể tích

Bảng 8.2 cho thấy, thành phần của không khí sạch và khô ở ñộ cao ngay trên mặt biển, thành phần chính là N2 và O2 và tương ñối ổn ñịnh theo thời gian. Mặc dù một lượng lớn các loại nhiên liệu

114

hóa thạch ñã ñược ñốt cháy trong thế kỷ này, hàm lượng O2 trong khí quyển vẫn không thay ñổi kể từ khi ño ñạc các số liệu chính xác ñầu tiên. O2 sử dụng cho các quá trình ñốt cháy, hô hấp và phân hủy chất hữu cơ lại ñược bù lại nhờ quá trình quang hợp.

Các loại oxit của nitơ, lưu huỳnh, các bon và ozôn ñược xem là những chất gây ô nhiễm quan trọng. Có sự biến ñổi chậm về sự tích tụ CO2 và ñiều này có thể ñã có ảnh hưởng ñến khí hậu Trái ñất.

Hơi nước có mặt trong khí quyển có nồng ñộ thay ñổi thường xuyên. Bụi và các sol khí (aerosol) có mặt trong không khí và nhiều lúc, nhiều nơi chất ô nhiễm quan trọng.

Những chất riêng biệt: Những chất riêng biệt trong không khí có thể gặp ở dạng rắn hoặc lỏng. Các dạng rắn như khói, bụi. Còn dạng lỏng như sương mù, sương muối. Chúng là những phần tử có kích thước lớn hơn phân tử nhưng lại ñủ nhỏ ñể tồn tại trong không khí và ñược gọi là sol khí.

Hàm lượng của các chất ñặc biệt này trong không khí thay ñổi mạnh. Nó có nguồn gốc từ các quá trình tự nhiên như gió, núi lửa, phấn hoa, bào tử, các phần phân hủy của các chất hữu cơ,... và có thể do hoạt ñộng của con người như công nghiệp khai khoáng, ñốt nhiên liệu,...

Các chất lơ lửng trong không khí có thể gây nhiều bệnh như dị ứng, hen xuyễn, viêm phổi, viêm cuống phổi. Trong tự nhiên một số loại cây có khả năng hút thu bụi làm sạch không khí.

Những phương pháp sau ñây ñược sử dụng ñể ñánh giá các chất ñặc biệt trong không khí:

1. Phương pháp trọng lực: Dùng ñể ñánh giá các cấp hạt bụi ≥ 1 µm ở các vùng công nghiệp hoặc thành phố. Phương pháp này dùng một bình thủy tinh rộng miệng, sạch ñể ở nơi cần xác ñịnh. Sau một thời gian nhất ñịnh (vài giờ hoặc vài ngày), bụi lắng ñược thu gom và ñem cân. Kết quả ñược biểu diễn bằng gam (khối lượng bụi trên một ñơn vị diện tích trong một ñơn vị thời gian).

2. Phương pháp va ñập: Phương pháp này sử dụng dụng cụ va ñập như ở hình 8.7. Nguyên lý chung của phương pháp này là các phần tử bụi rắn sẽ không có khả năng bị thổi ñi khi có sự thay ñổi nhanh chóng hướng thổi, chúng bị cản lại và rơi xuống tại các bề mặt Con (Collecting surface). Tuy nhiên, phương pháp này không có khả năng thu ñược các hạt bụi có kích thước rất nhỏ.

Dựa vào công suất của máy hút (hay máy bơm) mà biết ñược lượng không khí thổi qua dụng cụ va ñập này. Từ ñó có thể tính ñược khối lượng bụi trên một ñơn vị thể tích không khí (như mg/m3).

ðầu ra

ðầu vào

Hình 8.7. Thiết bị va ñập

115

3. Phương pháp kết tủa tĩnh ñiện: Phương pháp này sử dụng dụng cụ tĩnh ñiện có chứa một cột ion tích ñiện âm rất cao (15.000 - 30.000 V.D.C) và một dụng cụ hút thu ñược tích ñiện dương từ máy biến thế (hoặc máy chỉnh lưu).

Trong phương pháp này, một thể tích khí nhất ñịnh ñược ñưa qua dụng cụ kết tủa tĩnh ñiện. Các phần tử rắn sẽ ñược tích ñiện âm ở cột ion âm sẽ ñược kết tủa và thu nhận ở ống tích ñiện dương. Các phần tử rắn ñược tập trung ñem cân khối lượng và có thể ñem ñếm số lượng dưới kính hiển vi.

4. Phương pháp lọc: Trong phương pháp này một thể tích lớn không khí ñược cho qua một màng lọc (hoặc giấy lọc ñã biết trước khối lượng). Sau ñó, ñem cân lại khối lượng và tính toán lượng bụi (khối lượng bụi/ thể tích khí). Phương pháp này có thể tách ñược các hạt bụi có kích thước cỡ 0,05 µm.

Bụi và cách tách bụi trong không khí: Các thể lơ lửng trong không khí làm ảnh hưởng ñến ánh sáng. Nó có thể bám bụi gây bẩn quần áo, ñồ dùng, làm mất màu các công trình xây dựng và ñôi khi xuất hiện các phản ứng hóa học.

Kích thước của chúng có thể thay ñổi, thông thường trên 90% có ñường kính trên 30 µm, và lớn nhất là 1000 µm. Những hạt lớn hơn dễ dàng bị lắng ñọng do trọng lực. Những hạt nhỏ (< 100 µm) có thể tồn tại lơ lửng trong không khí trong những thời gian khác nhau.

Những hạt có kích thước 5 - 7 µm ít khi xâm nhập vào phổi, mà chủ yếu là hạt kích thước 0,25 - 5 µm.

Mật ñộ các hạt mù ñược ño bằng dụng cụ ño ñộ ñục (Nephelalometer) dựa trên ảnh hưởng của các hạt bụi mù ñến sự truyền ánh sáng. Không khí với tốc ñộ cố ñịnh (0,01 m3/ phút) ñược cho qua một kính quang học tới 1 buồng chiếu sáng bằng 1 chùm tia sáng. Một số tia sáng bị phân tán do các hạt nhỏ (< 20 µm) và cường ñộ của bức xạ này sẽ ñược ño bằng dụng cụ ño.

Dụng cụ ño này chỉ cho ñộ chính xác cao khi kích thước của hạt bụi là tương tự nhau.

Một dụng cụ khác là cho một lượng không khí nhất ñịnh ñi qua một môi trường lọc trắng, môi trường sẽ bị làm "tối" ñi khi có các chất bụi khí ñược giữ lại. Từ kết quả này có thể xác ñịnh ñược lượng chất bụi trong không khí.

Các chất ñặc biệt: Quá trình sản xuất công nghiệp có thể thải ra nhiều phần tử mịn như hơn axit, bụi silic, vôi, hợp phần kim loại,... thậm chí rất nhỏ như chì hình thành do ñốt xăng dầu (< 1µm). Hàm lượng chì thường rất nhỏ < 1 ng/m3 ở vùng không ô nhiễm, ñến 3 µg/m3 ở ñường phố, hoặc 50 - 70 µg/m3 ở ñường giao thông có mật ñộ xe cộ lớn. Các phần tử này rất dễ xâm nhập vào phổi.

ðể phân tích các chất ñặc biệt trong không khí, có thể lọc một thể tích lớn không khí trong một thời gian dài. Một phần chất thu ñược (khoảng 10%) ñược hòa tan trong axit, lọc rồi ñem xác ñịnh các nguyên tố cần thiết bằng các phương pháp phân tích vi lượng (như hấp thụ nguyên tử). Hàm lượng chì, kẽm, sắt trong các chất bụi khí ở thành phố dao ñộng trong khoảng 0,1 - 6 µg/m3. a. CO (cacbon oxit):

CO là khí ñộc phổ biến ở trong khí quyển. Khi xe ô tô chạy, khí thải cháy kiệt thường chứa <1% CO, nhưng khi tăng ga có thể chứa 5% hoặc cao hơn.

Hàm lượng CO trong không khí phụ thuộc nhiều vào mật ñộ xe chạy và mức ñộ dừng và khởi ñộng.

Ví dụ, hàm lượng CO ở ñường giao thông ñược trình bày ở bảng 8.3.

116

Bảng 8.3. Sự biến ñộng hàm lượng CO trong không khí ở ñường giao thông theo thời gian

Hàm lượng CO (ppm) Thời gian Ngày 1

Ngày 2 Ngày 3

10 giờ sáng

11 giờ sáng

12 giờ trưa

1 giờ chiều

3 giờ chiều

5 giờ chiều

9,3

9,0

10,4

8,7

7,9

12,4

8,0

11,8

10,4

8,2

10,5

-

-

3,6

6,3

11,1

5,2

7,4

CO khá ñộc hại ñối với con người. Nó phản ứng với hemoglobin nhanh gấp 300 lần so với O2 ñể hình thành cacboxy hemoglobin, hạn chế quá trình vận chuyển O2 trong máu. ở mức ñộ thấp, CO gây triệu chứng ñau ñầu, chóng mặt, mệt mỏi, ảnh hưởng ñến thần kinh. Cao hơn, có thể dẫn ñến buồn nôn, tim ñập nhanh, khó thở thậm chí tử vong.

Việc quan trắc nồng ñộ CO trong không khí cần ñược tiến hành ñều ñặn và liên tục ñể ñánh giá mức ñộ ô nhiễm.

Một phương pháp ñược áp dụng rộng rãi ñể phân tích CO là dựa vào khả năng hấp thụ chọn lọc dải bức xạ hồng ngoại.

Mẫu khí ñược ñưa qua một bộ phận lọc thô (nhờ hệ thống bơm) trong ñiều kiện nhiệt ñộ thấp ñể làm ñóng băng hơi nước. Sau ñó ñưa vào tế bào ño (hình 8.8). Một tế bào tương tự (ñối chứng) ñược nạp ñầy nitơ, và cả hai ñược chiếu bằng ánh sáng ñỏ. Năng lượng ñi qua tới hệ thống ño từ hai tế bào sẽ không bằng nhau nếu mẫu chứa CO (vì sự hấp thụ phân tử). Sự khác nhau này sẽ ñược xác ñịnh và chuyển ñến bộ ghi.

Với các máy ño tại hiện trường, sai số khi ño ở nồng ñộ 10 ppm có thể là ± 1,5 ppm.

Những máy phân tích khí hồng ngoại hiện ñại ñược chế tạo ñể xác ñịnh những khí riêng biệt rất thích hợp ñể ño CO trong không khí. Tuy nhiên cũng có thể bị ảnh hưởng bởi một số loại khí khác cũng có bước sóng tương tự.

ðầu lấy mẫu

Bộ phân làm lạnh

Quạt

Bộ ñịnh cỡ

Mẫu

Nguồn IR

Lọc So sánh Bộ ghi

Hình 8.8. Sơ ñồ phát hiện CO

117

Phương pháp khác ñể xác ñịnh CO là chuyển CO thành CH4 nhờ các phản ứng hóa học thích hợp. Sau ñó, xác ñịnh lượng CH4 tạo thành. b. CO2 (khí cacbonic):

CO2 là khí rất quan trọng trong quá trình quang hợp của cây xanh. Quá trình quang hợp ở nhiều loại cây xanh sẽ tăng khi hàm lượng CO2 tăng lên. Tuy nhiên, khi hàm lượng CO2 trong không khí quá cao sẽ kìm hãm quá trình hô hấp của các cơ thể sống.

Theo các nhà nghiên cứu về khí hậu thì khi có sự thay ñổi hàm lượng CO2 trong khí quyển, dù chỉ rất nhỏ, cũng có thể có ảnh hưởng lớn ñến khí hậu. Do vậy, theo dõi sự biến ñổi hàm lượng CO2 trong khí quyển sẽ có ý nghĩa thực tiễn hơn so với sự biến ñộng của O2 về mặt sinh thái học.

Lượng CO2 tích luỹ trong ñại dương là rất lớn và nó thường có sự trao ñổi với khí quyển. Trên lục ñịa, quá trình hô hấp của sinh vật cùng với quá trình ñốt cháy sinh khối, nhiên liệu và các hoạt ñộng trong sản xuất nông nghiệp cũng ñóng góp ñáng kể vào nguồn CO2 trong khí quyển.

Xác ñịnh CO2 bằng dụng cụ Zecondroff (hình 8.9).

Hòa tan 0,53 g Na2CO3 trong 100 ml nước cất ñã ñược ñun sôi và ñể nguội. Thêm 0,1 g phenolphtalein, lắc ñều. Lấy 1ml dung dịch này pha loãng bằng nước cất ñến 100 ml ñược dung dịch phản ứng.

Cho 10 ml dung dịch phản ứng của Na2CO3 vào trong dụng cụ Zecondroff (hình 8.9). ðể dụng cụ trong môi trường trong sạch, bơm khí bằng quả bóp cao su, lắc nhẹ sau mỗi lần bơm khí. Lặp lại cho ñến khi vừa xuất hiện màu hồng trong dung dịch Na2CO3. Ghi số lần bơm khí (X). Rửa sạch dụng cụ, rồi cho 10 ml dung dịch phản ứng với Na2CO3 mới vào và ñặt dụng cụ Zecondroff vào nơi cần xác ñịnh CO2.

Lặp lại ñộng tác bơm khí như trên ñến khi dung dịch Na2CO3 xuất hiện màu hồng. Ghi số lần bơm khí (S).

Kết quả ñược tính như sau:

CO2 (%) = X/ S.25

Trong ñó: X: Số lần bơm khí ở môi trường sạch

S : Số lần bơm khí ở môi trường cần ño. c. NOx (các oxit nitơ):

Các khí NOx thải ra ở các ñộng cơ xe mà nhiên liệu ñã ñược ñốt cháy, ở ñiều kiện không tải là < 30 ppm và tăng lên ñến > 1000 ppm trong lúc chạy hoặc tăng tốc. Các khí NOx có thể gây hiện tượng

ðường ra

Bơm

Hình 8.9. Dụng cụ lấy mẫu CO2

118

sương mù mặc dù hàm lượng của chúng thấp ở trong khí quyển (giới hạn ñược ñưa ra là 0,05ppm/năm theo US).

NO2 (nitơ ñioxit) trong khí quyển có thể bị khử thành NO (nitơ ôxit) dưới tác dụng của các tia cực tím.

NO2 ph¶nøngquangho¸

khö → NO + O

O2 + O → O3

Oxi nguyên tử có mặt cũng có thể phản ứng với các hydrocacbon (CH4, C2H4, toluen,...) hình thành các chất ô nhiễm thứ sinh như focmandehit, peoxiaxetyl nitrat (PAN).

NO và NO2 có thể ñược xác ñịnh dựa trên nguyên lý của việc sử dụng các tia hồng ngoại.

ðể xác ñịnh NO2 thường dùng một máy lọc hơi (Scrubbing). Một dung dịch có khả năng chuyển chúng thành hợp chất màu. Phản ứng tạo thành màu thường bao gồm axit sunfuaric và một amin thơm (N-1-(naphtyl) - etylen diamin dihydro clorua). Một chùm sáng ñược chiếu qua tế bào chứa mẫu, cường ñộ màu sẽ ñược xác ñịnh nhờ máy so màu quang ñiện.

ðể xác ñịnh NOx trước hết cần oxi hóa chúng ñến NO2 bằng cách cho qua dung dịch kali pemanganat (ñã axit hóa). Mẫu khí sẽ có lẫn với ozôn ñược hình thành:

NO + O2 → NO2* + O3

Quá trình biến ñổi NO2* (hoạt tính) sang NO2 sẽ giải phóng năng lượng dưới dạng bức xạ:

NO2* → NO2 + hγ (ánh sáng)

Cường ñộ phát sáng ñược ño bằng tế bào nhạy c. SO2 (sunfua dioxit):

Lượng SO2 ñược phát thải vào khí quyển từ quá trình sản xuất công nghiệp (nhà máy sản xuất axit, nhà máy ñiện), giao thông...

0

1

2

3

4

5

6

7

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

ppm SO2

Ngµy

TuÇn

Hình 8.10. Giá trị trung bình của SO2 tai một ñiểm quan trắc trong 3 tuần

Cũng như CO, việc quan trắc cần phải ñược tiến hành theo thời gian trung bình (ví dụ như 0,02 ppm/ năm, 0,10 ppm/ 2 giờ). Những thông tin ñưa ra cũng cần chỉ rõ thời gian quan trắc và ñơn vị ño ñạc.

SO2 cũng là khí gây ô nhiễm phổ biến. Nguồn phát thải chính là do ñốt cháy nhiên liệu hóa thạch. Nó có thể gây ảnh hưởng ñến mắt, hệ thống hô hấp, ñau ñầu hoặc thở gấp. Trong khí quyển, SO2 có thể kết hợp với nước hình thành axit tạo nên mưa axit gây ảnh hưởng ñến sức khỏe con người, ñời sống của ñộng, thực vật và phá hủy các công trình văn hóa.

Phương pháp Castle mới (New Castle Method)

119

Hình 8.11 giới thiệu sơ ñồ một loại dụng cụ ñể xác ñịnh SO2.

Không khí ñược ñưa qua một dụng cụ (khoảng 0,01 m3/ h), qua hệ thống lọc ñể tách bụi sau ñó qua sợi dây bạc nóng ñể loại trừ các chất như hydro sunfua, ozon, clorin,... Khí sau khi lọc ñược chuyển qua dung dịch brom. Một phần brom sẽ bị SO2 khử rồi ñược ñưa ñến ñiện cực. Cường ñộ dòng ñiện sinh ra sẽ tương quan với hàm lượng SO2 trong không khí. ðo ñối chứng bằng cách cho không khí qua cột lọc bằng than hoạt tính ñể loại SO2. Nếu tiến hành phân tích cẩn thận, lượng bụi và lượng SO2 bị hấp phụ ñược giảm ñến tối thiểu thì ñộ sai số ở mức dưới ± 15%.

Phương pháp ño ñộ dẫn ñiện (Conductimetric method):

Cho một thể tích khí ñã biết qua một dung dịch H2SO4 và H2O2. SO2 có mặt trong không khí bị ôxi hóa ñến H2SO4 vì vậy làm tăng ñộ dẫn ñiện của dung dịch. Từ kết quả ño ñộ dẫn có thể tính ñược lượng SO2 trong không khí.

Phương pháp ñiện hóa (Electrometric method):

Mẫu không khí ñược cho qua một dung dịch ñiện ly KBr 0,1M trong H2SO4 2N. Lượng SO2 trong không khí sẽ hòa tan và làm giảm nồng ñộ bromua. Do ñó, nồng ñộ thay ñổi ñược ño bằng ñiện cực, từ ñó tính ra SO2 trong không khí. Phương pháp này thích hợp ñể ño liên tục mẫu khí.

Phương pháp West - Gacke (Pararosanilin method):

Một thể tích khí ñã biết ñược cho qua dung dịch natri tetraclomecurat 0,1N. Dung dịch này sau ñó ñược cho phản ứng với formaldehyd và pararosanilin sẽ tạo thành màu ñỏ tím.

Sử dụng phương pháp so màu quang ñiện từ ñó tính ra ñược lượng SO2 trong không khí. Phương pháp này cho phép xác ñịnh SO2 trong phạm vi dao ñộng từ 0,002 ñến 5ppm.

Phương pháp phát xạ ngọn lửa (Flame emission method):

Phương pháp này ño tổng lượng lưu huỳnh (SO2, SO3, H2S và mecaptan) trong không khí. Mẫu không khí ñược cho qua hỗn hợp dư hydro và ñốt cháy trong một quang kế ngọn lửa (Flame photometer). ánh sáng phát ra ñược ño ở bước sóng 394 nm và tổng hàm lượng lưu huỳnh có thể ñược xác ñịnh.

- Hydrocacbon sau khi ñốt nhiên liệu: Các hydrocacbon còn lại sau khi ñốt nhiên liệu ở các ñộng cơ chủ yếu là các ankan, các hợp chất thơm cùng với các sản phẩm ôxi hóa từng phần của chúng (formaldehyd, acetaldehyd,...). Các hydrocacbon sẽ có hàm lượng cao nhất vào các giờ có mật ñộ giao thông cao vào các buổi sáng. ở Mỹ, hàm lượng trung bình trong 3 giờ (từ 6 - 9 giờ) là 0,24 ppm. Những giờ sau ñó, dưới ánh sáng mặt trời, sẽ xảy ra phản ứng quang hóa và hình thành các chất ô

ðường vào bộ

lọc

Than lọc Bộ làm sạch

Bơm

Hệ thống cảm ứng

Hệ thống cấp brôm

Bộ phân phản ứng

Bộ ño

Bộ ghi

KBr Br2 H2S

Hình 8.11. Sơ ñồ phát hiện SO2

120

nhiễm khác như: NO2, O3, aldehyd, xeton, peroxycaxyl nitrat (PAN, như CH3COO2NO2) và ankyl nitrat. Các sản phẩm thứ sinh này sẽ làm tăng lượng sương mù quang hóa.

Với cơ chế phức tạp như vậy, hàm lượng của từng hợp phần ñơn lẻ sẽ có sự dao ñộng rất rộng trong ngày (bảng 8.4).

Bảng 8.4. Hàm lượng các chất ô nhiễm gây sương mù quang hóa

Chất ô nhiễm Khoảng dao ñộng

- Cacbon oxit

- Tổng hydrocacbon

Chất thơm

Aldehyd

Anken

- Nitric oxid

- Nitơ dioxit

- Peroxyaxyl nitrat

- Ôzon

200 - 2.000

20 - 50

10 - 30

5 - 25

2 - 6

1 - 15

5 - 20

1 - 4

2 - 20

Nguồn thải hydrocacbon (metan, etan, toluen,...) chủ yếu là từ quá trình ñốt nhiên liệu hóa thạch và công nghiệp hóa chất. Các hydrocacbon trong không khí có thể kết hợp với các hóa chất khác như nitơ ñể hình thành chất ô nhiễm thứ sinh và gây nên sương mù quang hóa gây ñộc hại cho con người và các sinh vật khác.

Việc phân chia và xác ñịnh các loại hydrocacbon thường dựa trên phương pháp sắc ký hoặc phương pháp ño phổ.

+ Phương pháp sắc kí: Hỗn hợp khí ñược bơm từ bình chứa khí (nitơ hoặc heli) qua một ống dẫn dài phía trong ñã ñược phủ bằng dầu không bay hơi. Mỗi hợp phần của hỗn hợp sẽ ñược thổi trong ống với các tốc ñộ khác nhau do phản ứng của chúng với lớp vỏ ống dẫn. Detectơ gắn ở ñầu ra của ống sẽ cho biết kết quả của mỗi hợp phần thổi qua. Do ñiều chỉnh chính xác tốc ñộ thổi khí và nhiệt ñộ, mỗi hợp phần khí sẽ ñược xác ñịnh dựa trên cơ sở thời gian thổi qua ống.

+ Phương pháp ño phổ: Dòng khí ñược ñi qua dụng cụ ño phổ. Các loại phân tử sẽ ñược phân biệt nhờ các vạch phổ khác nhau. Trong quá trình ion hóa, các chất hữu cơ sẽ biến thành các ion hoặc các hợp phần riêng rẽ. Tất cả các hợp phần ñã ñược tích ñiện sẽ ñược chuyển qua dụng cụ ño ñiện tích và miền từ tính. Chúng ñược phân tán dựa trên cơ sở tỷ lệ khối lượng/ñiện tích.

8.4. Một số phương pháp phân tích ñịnh tính khí

ðể phân tích ñịnh tính các khí có trong mẫu phân tích, cần tiến hành các phép thử cơ bản sau: a. Dung dịch nước có phản ứng kiềm:

Hấp thụ khí bằng H2SO4 và khảo sát dung dịch Hấp thụ khí bằng KOH

Mẫu thử với thuốc thử Nessler Phản ứng với natri nitro pruxit Mẫu thử với Ba (OH)2

Kết tủa Kết tủa trắng Và axeton Và axetandehit Kết tủa trắng: CO2

121

màu vàng:

NH3

hay vàng: metylamin, ñimetylamin

Màu ñỏ tím: metylamin

Màu xanh lơ: ñimetylamin.

Không phản ứng NH3 và

trimetylamin b. Dung dịch nước có phản ứng axit

Hấp thụ khí bằng KOH và khảo sát dung dịch

Mẫu nước với AgNO3

Kết tủa trắng: HCl, Cl2

Kết tủa trắng hơi vàng: HBr

Mẫu thử với thuốc thử Lunghe -Ilosvai *

Phản ứng với natrinitropruxit và

kẽm sunfat

Phản ứng với cadmi axetat

Lắc với nước clo và chiết bằng cloroform

Màu nâu hơi vàng:

HBr có mặt HCl

Màu hồng:

các khí nitơ

Màu hồng: SO2 Kết tủa vàng: H2S

* Thuốc thử Lunghe - Ilosvai:

Trộn khi nguội một dung dịch của 2g axit sunfanilic trong hỗn hợp của 400 ml nước và 100 ml axit axetic kết tinh (cần tiến hành hòa tan với ñiều kiện không có mặt không khí) và dung dịch của 0,5 g α-naphtylamin trong 100 ml axit axetic kết tinh pha loãng bởi 400ml nước.

c. Khảo sát khí ban ñầu: Phản ứng với anilin Tạo ra màu xanh

Beclanh hay sắt sulfoxianua

Mẫu thử với palañi ñimetyl glioximat và niken clorua

Phản ứng với bari hiñroxit

Kết tủa không màu của ñiphenyl ure: có mặt photphen; HCl không cản trở phản ứng

HCN và (CN)2; (CN)2 có mặt HCN

Kết tủa ñỏ:

HCN và (CN)2

Kết tủa trắng: CO2

Muốn phát hiện nhanh và nhạy một số cấu tử trong hỗn hợp khí có thể dùng giấy lọc thấm các dung dịch khác nhau. Ví dụ:

- Lưu huỳnh ñioxit

- Hiñro asenua

- Hiñro xianua

- Photgen

- Các oxit nitơ

- Clo

- Cacbon sunfua

- Cacbon oxit

- Hiñro sunfua

- Tinh bột, kali ioñua, kali ioñat

- Thủy ngân (II) clorua

- Công gô ñỏ, bạc nitrat

- ðiphenylamin, và p- ñimetylamino-benzandehit

- Thuốc thử Lunghe- Ilosvai

- ortoliddin

- Dietylamino, ñồng axetat

- Palañi (II) clorua

- Chì axetat

Nhiều hãng (ví dụ hãng Drager Werk) ñã chế tạo ra những dụng cụ dùng ñể xác ñịnh vết khí, trong ñó ñặt những ống chứa các thuốc thử cho phép xác ñịnh ñịnh tính và bán ñịnh lượng một số khí và hơi (tính ra mg/l).

122

Amoniac

Benzen

Metyl bromua

Hơi nước

Lưu huỳnh ñioxit

0,05 - 5

≈ 50

3 - 50

1 - 100

0,05 - 10,0

Các hiñrocacbon của phân ñoạn xăng và benzen

Clo

Hiñro xianua

Rượu etylic

5 - 100

0,002 - 0,5

0,001 - 0,15

2,50

Các khí nitro

Cacbon oxit (theo %)

Thủy ngân

Hiñro sunfua

Cacbon sunfua

0,02 - 1,0

0,01 - 0,5

5.10-4

0,05 - 2,0

0,04 - 50,0

Phát hiện cacbon oxit: dung dịch palañi (II) clorua ñẽ dàng bị khử bởi cacbon oxit, ñồng thời tạo ra palañi kim loại.

Cho khí khảo sát với tốc ñộ ≈1 l/giờ ñi qua bốn bình rửa khí nhỏ, trong ñó bình thứ nhất và bình thứ ba nạp dung dịch KOH 33%, bình thứ hai - oleum, bình thứ tư - axit sunfuric ñặc. Các bình này dùng ñể tinh chế khí khỏi etylen, axetylen, các hơi benzen, amoniac và hidrosunfua, những chất này cũng phản ứng với palañi (II) clorua. Sau ñó khí ñã tinh chế ñi vào bình rửa nhỏ chứa dung dịch Pd(Cl)2 0,005N, bình này có cấu tạo ñảm bảo cho cacbon oxit hấp thụ mạnh. Nếu sau vài phút có những tinh thể nhỏ màu ñen của Pd lắng xuống thì thừa nhận nồng ñộ cacbon oxit bằng 0,1%. Sự xuất hiện nhanh vẩn ñục (sau 3 phút) và sự hình thành kết tủa nhỏ của Pd sau 15 phút chứng tỏ nồng ñộ cacbon oxit bằng 0,03%, còn vẩn ñục xuất hiện sau 15 phút và kết tủa tạo thành sau 1 giờ xác nhận hàm lượng cacbon oxit bằng 0,015%.

Mẫu thử với giấy lọc tẩm dung dịch palañi (II) clorua kém nhạy hơn.

Một phương pháp rất nhạy ñể phát hiện cacbon oxit ñã ñược Viện Tiêu chuẩn Quốc gia Mĩ xây dựng. Trong ñó silicagen ñược tẩm bằng dung dịch amoni molipñat và palañi sunfat giữ vai trò chất xúc tác. Phức silico-molipñat tạo ra sẽ khử cacbon oxit tới xanh molipñen.

Phát hiện axetylen: Thuốc thử Ilosvai tương tác với axetylen tạo ra một kết tủa màu ñỏ sẫm, còn với butañien (ñiaxetylen) cho kết tủa màu ñỏ gạch. Các kết tủa màu vàng sẽ thu ñược khi tương tác với propin; vinyl axetylen và butin-1, butin-2, cũng như các ñiolefin không tạo ra kết tủa.

8.5. Phương pháp ñịnh lượng một số chỉ tiêu trong không khí

8.5.1. Xác ñịnh hàm lượng bụi a. Phương pháp khối lượng xác ñịnh bụi lắng:

Nguyên lí: Phương pháp dựa trên sự cân dụng cụ hứng mẫu có phản ứng chất bắt dính trước và sau khi lấy mẫu ñể xác ñịnh nhanh lượng bụi lắng trong thời gian không mưa. Kết quả ñược biểu thị bằng g/m2.ngày hoặc mg/m2. ngày.

123

Dụng cụ:

Khay hứng mẫu: bằng nhôm hoặc bằng thủy tinh - khay hứng có chiều dày 1mm. chiều cao 11 mm. ñường kính trong 85 mm, diện tích hứng 57cm2. ñược bôi một lớp vadơlin với khối lượng trong khoảng từ 50 mg - 60 mg; ñã sấy trong tủ sấy từ 5 - 10 phút ở nhiệt ñộ 400C ñể tạo mặt bằng ñều trên khay.

Khay ñược ñậy nắp, cho vào túi PE, xếp trong hộp bảo quản.

Lấy mẫu:

Khay lấy mẫu bụi lắng khô ñược ñặt trên các giá ở ñộ cao ñồng nhất cách mặt ñất 1,5m hoặc 3,5m.

ðiểm lấy mẫu phải bố trí ở nơi thoáng gió từ mọi phía, khoảng cách giữa các ñiểm lấy mẫu với các vật cản (nhà cao tầng, cây cao...) phải ñảm bảo sao cho góc tạo thành giữa ñỉnh của vật cản với ñiểm ño và mặt nằm ngang không lớn hơn 300.

Số lượng mẫu, sự phân bố các ñiểm lấy mẫu trong khu vực quan tâm ñược xác ñịnh theo các yêu cầu cụ thể nhưng không ít hơn 4 mẫu cho mỗi ñiểm ño.

Thời gian hứng mỗi mẫu bụi lắng khô ở khu công nghiệp, dân cư tập trung không ít hơn 24 giờ nhưng không quá 7 ngày.

Xử lý mẫu:

Dùng khăn sạch lau cẩn thận bên ngoài khay, sau ñó ñặt vào tủ sấy, sấy ở nhiệt ñộ 400C trong 2 giờ.

Sau khi sấy, cân khay hứng trên cân phân tích với ñộ chính xác ± 0,1mg.

Tính toán kết quả:

Bụi lắng = tS

mm

.12 −

Trong ñó: m1, m2 : Kết quả cân khay trước và sau khi hứng mẫu (g, mg)

S : Diện tích hứng mẫu m2

t : Thời gian hứng mẫu, ngày (24 giờ)

b. Phương pháp xác ñịnh lượng bụi lắng tổng cộng: Nguyên lí: Phương pháp dựa trên việc cân lượng bụi thu ñược trong bình hứng mẫu bao gồm

dạng hòa tan trong nước. Sử dụng ñể xác ñịnh lượng bụi lắng tổng cộng tháng, kết quả ñược biểu thị bằng g/m2 hoặc tấn/km2.

Dụng cụ:

Dụng cụ lấy mẫu: Bình hứng mẫu có hình trụ, ñáy phẳng, ñường kính không nhỏ hơn 12 cm, chiều dày khoảng nhỏ hơn 2 lần ñường kính miệng. Chiều dày của thành bình không quá 3 mm.

Có thể làm bằng thủy tinh, nhựa hoặc kim loại không rỉ.

Hóa chất:

Hóa chất chống tảo, nấm...cloroform hoặc hiñro peroxit, benzen clorua... loại tinh khiết phân tích.

Nước cất hai lần.

Lấy mẫu:

124

Vị trí ñặt ñiểm hứng mẫu như phương pháp trên.

Thời gian lấy mẫu là 10 ngày hoặc 30 ngày.

Trước khi lấy mẫu ñược rửa sạch, tráng nước cất, ñậy nắp. Trước khi ñặt lấy mẫu cho vào bình hứng 250ml nước cất, 2-4ml hóa chất chống tảo, nấm.

Trong thời gian lấy mẫu, cần bổ sung nước cất ñể giữ mẫu, tránh bình hứng bị khô. Trong quá trình hứng mẫu nếu lượng nước mưa hứng ñược trung bình ñạt 2/3 ñộ cao của bình hứng, thay bình hứng khác ñể hứng mẫu tiếp, các mẫu này tại mỗi ñiểm trong cùng khoảng thời gian lấy mẫu (10 hoặc 30 ngày) có thể xử lý riêng biệt rồi cộng gộp kết quả.

Cách tiến hành:

Xác ñịnh các chất không hòa tan trong nước m1:

- Bỏ các vật ngoại lai không mang tính chất bụi: có thể dùng panh ñể gắp các vật ngoại lai có kích thước lớn hơn 1 mm, trước khi bỏ các vật này ñi cần tráng qua nước cất, nước cất thu ñược nhập vào mẫu chung. Hoặc có thể lọc qua rây 1 mm, dùng nước cất ñể tráng rửa bình hứng cho qua rây và nhập nước này vào mẫu chung.

- Lọc toàn bộ mẫu qua phễu lọc thủy tinh xốp, sạch, khô ñã biết trước khối lượng.

- Dùng nước cất rửa cặn trên phễu, nước này nhập vào mẫu chung.

- Sấy khô phễu lọc thủy tinh xốp với cặn ở 1050C trong 2 giờ làm nguội trong bình hút ẩm, cân với ñộ chính xác ± 0,1 mg.

Hiệu của hai lần cân phễu thủy tinh xốp trước và sau khi lọc là lượng chất không tan trong nước, m1.

Xác ñịnh lượng chất hòa tan trong nước m2:

- Xác ñịnh toàn bộ thể tích của mẫu sau khi lọc bằng ống ñong: V ml.

- Lấy ñại diện 250 ml dung dịch mẫu lọc cho vào cốc ñốt, cho bốc hơi hết trên bếp cách thủy, sau ñó sấy khô ở 1050C trong 2 giờ, ñể cho nguội trong bình hút ẩm rồi cân trên cân phân tích với ñộ chính xác ± 0,1 mg.

- Sấy ñến khối lượng không ñổi.

- Tổng lượng chất hòa tan trong nước: m2 = 250

.mV (g hoặc mg)

Lượng bụi lắng tổng cộng tháng tính bằng g/m2 hay mg/m2:

BLT = S

21 mm +

S: là diện tích miệng bình hứng, m2.

Trong trường hợp lấy mẫu 10 ngày, lượng bụi lắng tháng là tổng của 3 kết quả bụi lắng (10 ngày) trong tháng ñó.

8.5.2. Xác ñịnh nitơ oxit và nitơ ñioxit

Nitơ oxit và nitơ ñioxit ñược xác ñịnh bằng phương pháp gián tiếp như sau. Dùng dung dịch pemanganat xử lí hỗn hợp khí chứa các oxit nitơ. Khi ñó nitơ oxit và nitơ ñi oxit ñược oxi hóa ñến nitrat:

5NO + 3MnO4- + 4H+ → 5NO3

- + 3Mn2+ + 2H2O

125

10NO2 + 5H2O → 5HNO2 + 5HNO3

5NO2- + 2MnO4

- + 6H+ → 5NO3- + 2Mn2+ + 3H2O

Lượng nitrat tạo ra tương ứng với hàm lượng toàn phần của nitơ oxit va nitơ ñi oxit.

Lượng pemanganat ñã dùng ñể oxi hóa các nitơ oxit ñến nitrat, ñược xác ñịnh bằng cách thêm một lượng dư dung dịch sắt (II) sunfat sau ñó chuẩn lượng dư ñó bằng dung dịch kali pemanganat, còn hàm lượng nitrat thì chuẩn tiếp theo bằng dung dịch sắt (II) sunfat trong môi trường axit sunfuric ñặc. Xác ñịnh ñiểm tương ñương theo phản ứng tạo thành sản phẩm kết hợp Fe2(SO4)3.2NO làm cho dung dịch có màu hồng.

Tiến hành xác ñịnh: Việc xác ñịnh ñược tiến hành trong pipet ñã ñược chuẩn hóa và có cấu trúc ñặc biệt. Rút chân không trong pipet trước, rồi ñưa qua phễu vào ñó 25 ml dung dịch kali pemanganat 0,5N và tráng phễu bằng một lượng nước ño trước. Sau ñó cho hỗn hợp khí khảo sát vào pipet qua một khóa 3 nhánh, cân bằng nhiệt ñộ và áp suất, lắc mạnh pipet trong vòng 10 phút. Sau khi làm lạnh pipet trong nước lẫn ñá (ñể tạo ra áp suất thấp) cho vào ñó 25 ml dung dịch sắt (II) sunfat 0,5N và một ít nước (ñể tráng phễu) và lắc pipet trong một lúc. Hút chất lỏng ñã bị mất mầu ra khỏi pipet qua khóa 3 nhánh vào bình hình nón và tráng kĩ pipet bằng nước cất. Chuẩn ñộ lượng dư sắt (II) sunfat bằng dung dịch kali pemanganat 0,5N. Như vậy xác ñịnh ñược lượng dung dịch kali pemanganat tiêu tốn ñể oxi hóa NO và NO2.

Muốn xác ñịnh hàm lượng toàn phần của nitơ (ñã chuyển thành nitrat) người ta chuyển toàn bộ dung dịch cần chuẩn ñộ vào bình ñịnh mức dung tích 500 ml, tráng bằng một lượng nhỏ nước cất. Rồi vừa cẩn thận thêm những lượng nhỏ axit sunfuric ñặc, vừa liên tục làm lạnh bình bằng hỗn hợp nước và nước ñá, dùng axit sunfuric ñưa thể tích dung dịch ñến vạch mức. Dùng pipet hút 2 mẫu, mỗi mẫu 100 ml dung dịch thu ñược vào một bình nón có dung tích 500 ml. Thêm vài tinh thể kali bicromat (ñể ñuổi oxi hòa tan) và vừa liên tục xoay bình vừa chuẩn bằng dung dịch sắt (II) sunfat 0,5N. ðầu tiên dung dịch không màu, rồi có màu lục hơi vàng nhạt, và tại ñiểm tương ñương có màu hồng. Lượng dư của sắt (II) sunfat tạo cho dung dịch màu ñỏ tía ñậm.

Tính kết quả: Theo những phương trình phản ứng trình bày ở trên, lượng chung của các khí NO và NO2 tương ñương với lượng nitrat tạo thành. Dựa theo những phản ứng ở trên ñể xác ñịnh thể tích cuả nitơ oxit và nitơ ñi oxit ta có phương trình sau:

ml NO = - ml NO2 = -

Trong ñó: N : Lượng chung của các khí NO và NO2 (ml)

P : Lượng dung dịch kali pemanganat 0,5N dùng ñể oxi hóa (ml)

Trong chuẩn ñộ lượng nitrat bằng phép chuẩn tiếp theo với sắt (II) sunfat, 1 ml sắt (II) sunfat 0,5N tương ứng với 5,6 ml khí trên.

8.5.3. Xác ñịnh hàm lượng lưu huỳnh ñioxit

Xác ñịnh lưu huỳnh theo phương pháp trắc quang thorin:

P

0,1786

N

2

3N

2

P

0,1786

126

Phương pháp này ñược dùng ñể xác ñịnh nồng ñộ của lưu huỳnh ñioxit trong không khí xung quanh ở khoảng nồng ñộ từ 3,5 - 150 µg/ m3 với thể tích mẫu lấy là 2 m3 và thể tích dung dịch mẫu là 50 ml. Với những nồng ñộ cao hơn, phải pha loãng trước khi xác ñịnh.

Nguyên lí: Cho mẫu không khí ñi qua dung dịch hyñro peroxit (ñã ñược axit hóa) trong một thời gian quy ñịnh. Lượng SO2 có trong mẫu sẽ ñược hấp thụ và oxi hóa thành SO4

2-. Kết tủa lượng SO42-

dưới dạng BaSO4 bằng một lượng Ba(ClO4)2 dư. Bari dư ñược xác ñịnh bằng cách cho tạo phức màu với thorin và ño ở bước sóng 520 nm.

Hóa chất:

Hyñro peroxit (H2O2) 27 - 30%

Dung dịch hấp thụ: Pha loãng 10 ml dung dịch hyñro peroxit 27% với nước thành 1000 ml. ðiều chỉnh pH dung dịch về khoảng 4 - 4,5 bằng dung dịch axit pecloric, dùng ñiện cực pH ñể kiểm tra.

Axit pecloric nồng ñộ 0,1 mol/ l: Cho 4,3 ml dung dịch axit pecloric 72% vào bình ñịnh mức, thêm nước cất ñến vạch mức và trộn ñều.

Dung dịch bari peclorat: Hòa tan 0,252 g Ba(ClO4)2 trong một lượng nhỏ axit pecloric 0,1 mol/ l trong bình ñịnh mức 250 ml rồi ñịnh mức ñến vạch mức bằng axit pecloric 0,01 mol/ l.

Bari peclorat/dioxan: Cho 10 ml dung dịch bari peclorat và 40 ml nước vào bình ñịnh mức 1000 ml, thêm ñioxan ñến vạch mức và trộn ñều.

Dung dịch H2SO4 0,5M: Từ ống nghiệm tiêu chuẩn pha ra thành 1l dung dịch.

Thorin 0,25%: Hòa tan 0,25 g thorin trong 40 ml dung dịch sunfat tiêu chuẩn và thêm nước cất ñến thể tích dung dịch 100 ml.

Quy trình xác ñịnh: Từ bình hấp thụ, lấy ra 5 ml dung dịch, trộn ñều với 10 ml dung dịch bari peclorat/ñioxan và 0,25 ml thorin. Khi ñó cường ñộ màu của dung dịch tỷ lệ với lượng bari dư và tỷ lệ nghịch với lượng ion SO4

2- có trong mẫu. Dựa theo ñường chuẩn ñể tính hàm lượng SO2 có trong mẫu.

Trong khi tiến hành, thorin có thể tạo phức với nhiều ion kim loại làm cản trở phép xác ñịnh, do ñó việc lọc bụi ở giai ñoạn thu mẫu có thể loại bỏ ñược ảnh hưởng này. Sự có mặt của PO4

3- sẽ tạo thành kết tủa Ba3(PO4)2 làm cản trở phép xác ñịnh.

Khi hàm lượng SO2 lớn, ñặc biệt ở những nguồn thải tĩnh, có thể dùng phương pháp hyñro peroxit/bari peclorat/thorin thay cho phương pháp trắc quang thorin. Trong phương pháp này người ta chuẩn ñộ mẫu bằng dung dịch bari peclorat với chỉ thị thorin. Tại ñiểm cuối của quá trình chuẩn ñộ, dung dịch xuất hiện màu hồng.

8.5.4. Xác ñịnh CO bằng phương pháp sắc kí

Nguyên lý: Cho một thể tích mẫu không khí ñi qua cột sắc kí ñể tách CO ra khỏi các thành phần khí khác. Khử CO vừa tách ra thành metan bằng dòng khí hyñro với xúc tác niken nóng (có thể dùng các chất xúc tác và chất hỗ trợ khác).

CO + 3H2 = CH4 + H2O

Tín hiệu sắc kí nhận ñược tỷ lệ với lượng CO có trong mẫu.

Hóa chất thiết bị:

- Các khí:

127

Hyñro ñược sử dụng làm khí mang trong tách sắc kí khí, làm chất khử CO thành metan và cũng cần cho hoạt ñộng của detector ngọn lửa ion hóa.

Nitơ, hêli: ðối với một số ñầu ñốt, khí nitơ hoặc heli hoặc hỗn hợp cả hai khí này ñược thêm vào khí ñốt ñể tăng ñộ nhạy và ñộ ổn ñịnh.

Các khí metan và CO chuẩn.

- Cột sắc kí: Dùng cột sắc kí ñể tách CO ra khỏi các thành phần khác có trong mẫu. ðiều quan trọng là các nguyên liệu nhồi cột không thường xuyên giữ nước vì cột sẽ ñược rửa ngược giữa các lần phun mẫu.

Quy trình tiến hành:

Trong khi tiến hành cần chú ý những ñiểm sau:

- Khoảng những nồng ñộ dự kiến

- Tín hiệu ño sắc kí và nồng ñộ tối thiểu có thể phát hiện so với tín hiệu nhiễm

- Số mẫu gián ñoạn ñược ño trong một ñơn vị thời gian

- ðộ trôi của "ñiểm không" và thời gian trôi

- ðộ lặp lại của các phép ño

- Hiệu suất chuyển hóa

- Khoảng nhiệt ñộ ở ñó các mẫu sẽ ñược lấy.

1. Chuẩn bị xúc tác: Bão hòa niken nitrat hecxahyñrat (Ni(NO3)2.6H2O) trong 25 ml nước cất, lọc bỏ phần không tan. Ngâm 10 g ñiatomit có kích cỡ từ 0,125 - 0,15 mm trong dung dịch này, lọc chân không và làm khô qua ñêm ở nhiệt ñộ 1100C. Nung trong không khí 5 giờ ở nhiệt ñộ 5000C.

2. Chuẩn bị ống chuyển hóa: Nhồi ñiatomit ñã xử lí với niken nitrat vào một ống thép không rỉ.

3. Lò chuyển hóa: Lắp ráp hệ thống lấy mẫu, ống chuyển hóa vào máy sắc kí khí. ðiều chỉnh hệ thống sao cho nó có thể hoạt ñộng theo cách thức ñường vòng. Trong giai ñoạn này nút ñiều khiển tự ñộng và bộ ghi ñều không cho hoạt ñộng. Bật máy sắc kí và ñiều chỉnh theo các chỉ dẫn của nhà sản xuất.

ðiều chỉnh nhiệt ñộ lò chuyển hóa ñến 3500C và vận hành hệ thống trong 10 giờ ñể khử các niken oxit thành niken kim loại.

4. Xác ñịnh: Dùng bơm lấy mẫu hút liên tục khí qua vòng mẫu và ñường vòng của nó. Lưu lượng của dòng khí mẫu (khoảng 100 cm3/giây) ñủ ñể làm sạch và làm ñầy vòng mẫu. Vào những thời ñiểm thích hợp trong chương trình lấy mẫu, khí chứa trong vòng mẫu sẽ ñược phun tự ñộng vào hệ thống sắc kí ñể ño hàm lượng CO.

Kết quả:

Nồng ñộ CO ñược xác ñịnh bằng cách so sánh các diện tích pic thu ñược từ các hỗn hợp khí chuẩn và mẫu.

Nồng ñộ CO ñược tính chuyển từ mg/m3 thành ppm như sau:

- ở nhiệt ñộ 250C và áp suất 101,3 kPa;

1 ppm ≥ 1,14 mg/m3

- ở các nhiệt ñộ khác và áp suất 101,3 kPa;

1 ppm ≥ 1,14 x (373,1 + t)/ 298,1 mg/m3

128

Trong ñó: t - Nhiệt ñộ tính bằng 0C.

8.5.5. Xác ñịnh ozôn

Nguyên lí:

Tác ñộng của ozôn lên dung dịch kali ioñua sẽ giải phóng iot tự do:

2KI + O3 + H2O → 2KOH + I2 + O2

Sau khi axit hóa, người ta chuẩn ñộ iôt thoát ra bằng dung dịch natri thiosunfat có mặt hồ tinh bột. Phương pháp này có thể xác ñịnh một lượng nhỏ ozôn.

Hóa chất:

Na2S2O3 0,1N: Hòa tan 6,205 g Na2S2O3.5H2O trong nước cất nóng, thêm nước cất ñến 1 l.

Chỉ thị hồ tinh bột: cân 1 g hồ tinh bột hòa tan trong 100 ml nước, thêm vào ñó vài giọt focmanñehyt.

Tiến hành phân tích:

Lấy một thể tích khí ño ñược của khí chứa ozôn vào một pipet ñã chuẩn hóa có dung tích 1,5 l chứa 20 ml dung dịch kali ioñua 0,1%, thêm vào 2 ml dung dịch tinh bột 1% và 200 ml nước. Sau 5 phút lắc mạnh, iôt từ trong dung dịch trung tính sẽ giải phóng ra một lượng tương ñương với hàm lương ozôn trong khí. Sau khi lắc pipet, dung dịch phản ứng ñược axit hóa bằng axit sunfuric loãng. Chuẩn ñộ lượng I2 tự do bằng natri thiosunfat với chỉ thị hồ tinh bột cho ñến khi dung dịch mất màu và trở nên trắng ngà. Cứ 1 ml dung dịch natri thiosunfat 0,1N dùng ñể chuẩn ñộ tương ứng với 0,24 mg ozôn có trong mẫu.

Sự có mặt của clo và nitơ oxit gây cản trở cho phép xác ñịnh.

8.5.6. Phương pháp inñophenol xác ñịnh hàm lượng amoniac

Nguyên lí:

Phương pháp dựa trên cơ sở tác dụng của amoniac với hypoclorit và phenol có sự tham gia của chất ổn ñịnh phản ứng là natri nitro pruxit, tạo ra hợp chất màu xanh, hấp phụ cực ñại tại bước sóng 625nm.

Phương pháp ñược sử dụng ñể xác ñịnh hàm lượng amoniac trong không khí từng lần và trung bình ngày ñêm trong khoảng từ 0,1 ñến 1,0 mg/m3.

Các amin thơm và focmandehyt gây cản trở phép xác ñịnh.

Dụng cụ:

- Máy hút khí có lưu lượng kế có vạch chia ñến 0,005 lít/phút; nhiệt kế, áp kế, ẩm kế.

- Bình hấp thụ Ricte có vạch ño 6ml hoặc dụng cụ hấp thụ khác.

- Máy so màu có kính lọc màu 625nm, hoặc quang phổ kế, cuvet có bề dày 10mm.

- ống nghiệm có nút mài dung tích10ml.

- Phễu Bucne.

Hóa chất và thuốc thử:

Sử dụng loại tinh khiết hóa học hay tinh khiết ñể phân tích.

Natri hyñroxit : NaOH

Kali ioñua: KI - dung dịch 10%

129

Amoni clorua NH4Cl

Natri nitro pruxit Na2[Fe(CN)5] NO

Natri cacbonat Na2CO3

axit sulfuric H2SO4 (d = 1,18) dung dịch 10% theo thể tích

Natri clorua: NaCl

axit salixilic: [HO(C6H4)COOH].

Natri thiosunfat : Na2S2O3.5H2O dung dịch 0,05mol/l.

axit oxalic H2C2O4

Phenol C6H5OH.

Clorua vôi CaOCl2

Nước cất hai lần ñã khử amoniac.

Chuẩn bị hóa chất:

- Dụng cụ hấp thụ: pha loãng 0,5 ml axit sunfuric (d = 1,84) trong 1 lít nước. Bảo quản dung dịch trong bình hình ống ñược ñậy kín bằng nút có ống thủy tinh chứa ñầy tinh thể axit oxalic.

- Thuốc thử phenol: Hòa tan 5 g phenol mới chưng cất, 25 mg natri nitro pruxit trong 100ml nước. Bảo quản thuốc thử không quá 6 tháng ở 40C.

- Hồ tinh bột, dung dịch 0,5%: trộn ñều 0,25 g tinh bột với 10 ml nước, cho thêm 40ml nước nóng 60-700C ñun ñến sôi, ñể dung dịch sau 1 phút thì làm lạnh.

- Thuốc thử hipoclorit: Hòa tan 10 g NaOH và 11,7g NaCl trong 100 ml nước ñã bão hòa clo (với nồng ñộ từ 0,6 - 0,8g clo). Thuốc thử ñược bảo quản không quá 6 tháng. Thuốc thử phải chứa ñủ lượng clo từ 0,6 ñến 0,8g clo trong 100 ml.

Tiến hành xác ñịnh hàm lượng clo hoạt tính: Lấy 20 ml dung dịch thuốc thử cho vào bình cầu có nút mài, thêm 10 ml H2SO4 10%, 10ml KI 10%. ðậy kín bình cầu và ñể trong bóng tối khoảng 10 phút, sau ñó chuẩn ñộ I2 giải phóng ra bằng Na2S2O3 0,05mol/l ñến màu vàng nhạt. Thêm một vài giọt hồ tinh bột, chuẩn tiếp bằng Na2S2O3 ñến khi dung dịch mất màu -1 ml dung dịch natri thiosunfat 0,05 mol/l tương ứng với 0,00354 g clo.

Có thể dùng clorua vôi ñể chuẩn bị thuốc thử.

- Dung dịch chuẩn amoniac gốc: 100 µg amoniac trong 1 ml: hòa tan 0,3141 g NH4Cl trong 1 lít nước. Bảo quản dung dịch không quá hai tháng.

- Dung dịch chuẩn amoniac sử dụng có hàm lượng 1 µg amoniac trong 1 ml. Dung dịch này ñược chuẩn bị bằng cách pha loãng dung dịch chuẩn gốc 100 lần bằng dung dịch hấp phụ.

Chỉ pha dung dịch này trước khi dùng.

Lấy mẫu:

- ðể xác ñịnh hàm lượng từng lần amoniac, cho không khí cần nghiên cứu ñi qua hai ống hấp thụ mắc nối tiếp với nhau, mỗi ống có chứa có 5 ml dung dịch hấp thụ với lưu lượng 0,5 l/phút, liên tục trong thời gian từ 10 ñến 30 phút.

- ðể xác ñịnh hàm lượng amoniac trung bình ngày ñêm có thể lấy mẫu theo hai cách:

+ Lấy mẫu như xác ñịnh hàm lượng từng lần NH3 với số lần không ít hơn 6, cách nhau ñều trong một ngày ñêm.

130

+ Cho không khí (trong mẫu) cần nghiên cứu ñi qua dung dịch hấp thụ có chứa 50ml dung dịch hấp thụ với lưu lượng 0,2 lít/phút liên tục trong 24 giờ.

Phải theo dõi quá trình lấy mẫu, nếu dung dịch bị cạn thì cần bổ sung nước cất.

Tiến hành phân tích:

- Dùng nước cất hai lần thêm vào dung dịch trong bình hấp thụ ñến 10 ml.

- Hút 2 ml dung dịch mẫu thử cho vào ống nghiệm nút mài, thêm 3 ml dung dịch hấp thụ, 1 ml thuốc thử phenol. Sau ñó vừa lắc cẩn thận ống nghiệm vừa cho thêm 0,5 ml thuốc thử hipoclorit.

- Sau 2 giờ tiến hành ño mật ñộ quang của dung dịch, sử dụng cuvet 1cm, bước sóng 625nm, dung dịch so sánh là nước cất.

Thời gian cho thuốc thử cuối cùng ñến lúc ño mật ñộ quang của dung dịch ñối với tất cả các mẫu phải như nhau.

- Chuẩn bị mẫu trắng từ dung dịch hấp thụ; ño mật quang của 5ml dung dịch thuốc thử ñã ñiều chế thành “mẫu trắng”; giá trị ño mật ñộ quang của mẫu trắng không ñược vượt quá 0,02. Nếu quá phải kiểm tra ñộ sạch của nước, dụng cụ, cuvet và chất lượng dung dịch.

- Lượng NH3 trong mẫu thử ñược xác ñịnh theo phương pháp ñường chuẩn theo hiệu số giữa mật ñộ quang của mẫu ñem ñi phân tích và mật ñộ quang của mẫu trắng.

ðường chuẩn ñược lập như sau:

Dùng 6 bình ñịnh mức 50ml rồi thêm vào các lượng dung dịch như sau:

Tên dung dịch 1 2 3 4 5 6

Dung dịch chuẩn sử dụng 1 2 4 6 8 10

Dung dịch hấp thụ

Hàm lượng NH3 tương ứng trong 5ml dung dịch mẫu thử (mg)

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

Lấy 5 ml dung dịch từ mỗi bình trên cho ống nghiệm nút mài rồi tiến hành làm như dung dịch thí nghiệm.

Tính kết quả:

Hàm lượng amoniac (C) trong không khí ñược tính bằng mg/m3 theo công thức.

C = a.B/ Ba.Vo

a : Lượng NH3 trong dung dịch mẫu lấy ñể phân tích, mg

B : Tổng lượng dung dịch mẫu thử, ml

Ba : Thể tích dung dịch mẫu thử lấy ñể phân tích, ml

Vo : Thể tích mẫu không khí ñã ñưa về ñiều kiện tiêu chuẩn, m3.

Khi xác ñịnh nồng ñộ trung bình ngày ñêm, thể tích không khí không cần ñưa về ñiều kiện chuẩn.

131

Chương 9. Phân tích ñất

9.1. phân tích một số tính chất lí hóa học cơ bản của ñất

9.1.1. Thành phần cơ giới ñất

ðất là một hệ thống dị thể gồm những phần tử khoáng, khoáng - hữu cơ và hữu cơ có kích thước khác nhau, từ phân tử ñến những nguyên tố cơ học có kích thước lớn như sét, limôn, cát và giăm cuội. Trong nghiên cứu ñất, nhiều khi cần phải xác ñịnh kích thước của những hợp phần này về mặt số lượng và chất lượng.

Thành phần cơ giới có ý nghĩa quan trọng, nó ñặc trưng cho nguồn gốc phát sinh của ñất, các tính chất ñất và ñộ phì của ñất. Việc phân loại ñất về cơ bản cũng dựa vào thành phần cơ giới của ñất. Ví dụ, ñất cát, cát pha, ñất thịt, ñất sét... ðối với dinh dưỡng của cây trồng thì thành phần cơ giới ñất lại càng có vai trò to lớn, ñất có thành phần cơ giới nặng, giữ ñược nhiều chất dinh dưỡng hơn. Nhiều tính chất vật lí của ñất như ñộ xốp, ñộ trữ ẩm, tính thấm, khả năng giữ khí, giữ nhiệt...ñều phụ thuộc vào thành phần cơ giới.

a. Phân loại những nguyên tố cơ học trong ñất

Nguyên tố cơ học của ñất tồn tại ở 3 dạng: khoáng, hữu cơ và hữu cơ khoáng (còn gọi là humat). Trong thổ nhưỡng học có nhiều bảng phân loại nguyên tố cơ học theo ñộ lớn của chúng và bảng phân loại của Katrinski ñược thừa nhận rộng rãi nhất. Trong bảng phân loại này tác giả ñã chia thành: ñá vụn, sỏi, cuội, cát, limôn và sét.

Bảng 9.1. Phân loại những nguyên tố cơ học của ñất (theo Katrinski)

ðường kính (mm) Tên gọi

> 3 Phần ñá vụn của ñất

3 - 1 Sỏi, cuội

1 - 0,5 Cát thô

0,5 - 0,25 Cát trung bình

0,25 - 0,05 Cát mịn

0,05 - 0,01 Limôn thô

0,01 - 0,005 Limôn trung bình

0,005 - 0,001 Limôn mịn

< 0,001 Sét

> 0,01 Cát vật lí

< 0,01 Sét vật lí

Tất cả những phần tử có kích thước lớn hơn 1 mm gọi là "phần xương" của ñất, những phần tử nhỏ hơn 1 mm gọi là "phần mịn" của ñất. N.M. Xibicxep (1899) phân chia những phần tử của ñất thành "cát vật lí" - tức là những cấp hạt lớn hơn 0,01 mm và "sét vật lí" - những cấp hạt nhỏ hơn 0,01 mm. Những khái niệm này hiện nay ñược sử dụng rộng rãi trong phân loại ñất theo thành phần cơ giới.

132

b. Chuẩn bị ñất ñể phân tích thành phần cơ giới ñối với những ñất chứa cacbonat. ðối với nhóm ñất này việc chuẩn bị phân tích thành phần cơ giới rất phức tạp, người ta thường sử

dụng các dung dịch muối khác nhau như: natrioxalat (Na2C2O4); pirophotphat (Na4P2O7) và hecxametaphotphat (Na6P6O18). Tùy thuộc vào hàm lượng cacbonat và dung tích hấp phụ của ñất mà sử dụng Na2C2O4 0,5N với lượng khác nhau. Việc sử dụng các dung dịch muối natri ñể xử lí mẫu ñất là ñể ñẩy những cacbonat của ñất dưới dạng các muối không tan, do ñó trong ñất sẽ ñược hình thành những nguyên tố cơ học mới. Những hợp chất mới này là (Ca,Mg)C2O4; (Ca2,Mg2)P2O7; (Ca3,Mg3)P6O18; Na2Ca2(PO3)6. Trong thực tế việc xử lí ñất bằng những muối kiềm trên ñây thường ñược kết hợp với những phương pháp cơ học, nghĩa là nghiền, tán ñất.

P.F.Menhicốp (1952) ñề nghị phương pháp pirophotphat như sau: Cho từ từ dung dịch pirophotphat 5% vào mẫu ñất phân tích ñến trạng thái sền sệt. ðối với ñất mặn và ñất cacbonat có thành phần cơ giới nặng thì sử dụng từ 20 - 25 ml cho 10 g ñất, còn ñối với ñất cát pha và ñất cát thì sử dụng 15 ml cho 15 g ñất. ðối với ñất không mặn và không chứa cacbonat có thành phần cơ giới nặng thì sử dụng 5 ml; ñất thịt, cát pha và cát thì sử dụng 3 ml cho 10 g ñất. Mẫu ñược nhào trộn trong 20 phút, sau ñó dùng chày sứ có bịt ñầu cao su ñể nghiền, tán trong 5 phút và ñổ vào cốc. Vừa nghiền tán vừa gạn cho ñến khi xuất hiện nước trong khi ñất lắng. Cho ñất qua rây kích thước 0,1 hoặc 0,25 mm vào ống ñong có dung tích 1 lít. Thêm nước vào ống ñong cho ñến 1 lít và phân tích thành phần cơ giới theo phương pháp pipet của Katrinski.

Phương pháp hecxa - metaphotphat ñể xử lí mẫu ñất: lấy khoảng 300 g ñất, nếu là ñất mặn thì trước hết phải loại clo bằng cách rửa ñất qua giấy lọc trên phễu, dùng nước cất rửa nhiều lần cho ñến khi hết ion Cl- (dùng AgNO3 5% trong môi trường ñược axit hóa bằng HNO3 10% ñể thử phản ứng clo). ðất sau khi rửa sạch ñem phơi ở trong phòng ñến trạng thái khô không khí, rây qua rây 1 mm và lấy 20 g ñể phân tích.

Dung dịch dùng ñể xử lí mẫu ñất ñược chuẩn bị như sau: lấy 3,7g Na6P6O18 + 7,94 g Na2CO3 hòa tan trong 1 lít nước. Natricacbonat thúc ñẩy sự thủy phân của hecxa-metaphotphat thành octophotphat. lấy 20 ml dung dịch này thêm vào mẫu ñất ñã ñược rửa (nếu là ñất mặn) và 10 ml ñối với ñất không mặn, dùng ñũa thủy tinh ñầu có gắn cao su khuấy cẩn thận và sau khoảng 15 - 20 phút dùng nước cất chuyển dần ñất sang bình tam giác dung tích 250 ml.

ðun dung dịch huyền phù này trong 1 giờ, sau ñó chuyển ñất vào ống ñong có dung tích 1 lít qua rây cỡ 0,1 mm, cần cọ nhẹ và rửa ñể không cho các phần tử sét bám vào. Dung dịch ñất trong ống ñong ở trạng thái huyền phù, và xảy ra hiện tượng tụ keo. Nếu quá trình tụ keo xảy ra chậm thì có thể thêm một ít dung dịch xử lí vào dung dịch huyền phù. Trường hợp quá trình tụ keo xảy ra nhanh thì cẩn thận gạn ñổ phần nước trong và ñổ thêm nước cất cùng với một phần dung dịch xử lí.

c. Nguyên tắc và kĩ thuật phân tích thành phần cơ giới ñất Các phương pháp phân tích thành phần cơ giới ñất bao gồm: phương pháp ngoài ñồng ruộng,

phương pháp rây, phương pháp trong môi trường nước (phương pháp lắng gạn, phương pháp tỉ trọng kế, phương pháp pipet).

- Phương pháp ngoài ñồng ruộng (xác ñịnh nhanh, không có dụng cụ):

Phương pháp ướt: Tẩm ướt mẫu ñất rồi dùng hai lòng bàn tay vê thành sợi dài ñộ 5 - 6 cm. Kỹ thuật tẩm ướt ñất cần chú ý vừa ñủ, không khô quá, không nhão quá, nghĩa là ñộ ẩm lúc này tương ứng với "giới hạn chảy dưới". Sau khi vê thành sợi, tiếp tục uốn thành vòng tròn. Sự thể hiện hình dạng của vòng tròn tương ứng với thành phần cơ giới ñất ñược minh họa ở bảng 9.2.

133

Bảng 9.2. Xác ñịnh thành phân cơ giới theo phương pháp ngoài ñồng ruộng

Phương pháp này nếu ñược thực hiện cẩn thận, cũng cho những kết quả tốt, gần ñúng với kết quả phân tích trong phòng.

- Phương pháp phân tích thành phần cơ giới trong môi trường nước ñứng yên tĩnh (phương pháp pipet của Katrinski - Gluskop).

Phương pháp này do Gluskop ñề xuất năm 1912. ðến năm 1922, Robison ñề nghị dùng ống hút với thể tích 25 ml ñể lấy dung dịch huyền phù, cho nên còn ñược gọi là ống hút Robinson hay pipet.

Năm 1930, tại Hội nghị Quốc tế Thổ nhưỡng, phương pháp này ñã ñược công nhận là phương pháp tiêu chuẩn ñể xác ñịnh thanh phần cơ giới ñất và ñược sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới.

Trình tự phân tích: mẫu ñất phân tích sau khi phơi trong phòng ñến trạng thái "khô không khí", dùng cối chày sứ giã ñất và rây qua rây cỡ 1mm. Trộn ñều, lấy 3 mẫu ñể phân tích theo các yêu cầu:

ðất thịt và thịt nặng (g)

ðất cát và

cát pha (g)

- ðể xác ñịnh ñộ hút ẩm không khí (1) 4 - 5 10

134

- ðể xác ñịnh lượng tiêu hao khi xử lí bằng HCl (2) 10 - 15 20 - 30

- ðể chuẩn bị ñung dịch huyền phù (3) 10 -15 20 - 30

Lượng ñất lấy ñể phân tích nhiều hay ít tuỳ thuộc vào ñặc tính của ñất, ñất có thành phần cơ giới càng nhẹ thì lượng ñất lấy ñể phân tích càng nhiều và ngược lại.

Mẫu ñất số 2 và 3 cho vào bát sứ và kiểm tra mức ñộ chứa cacbonat của ñất bằng cách cho nhỏ giọt HCl 10% vào mẫu. Nếu ñất có cacbonat thì xuất hiện bọt khí CO2 bay ra và lúc này cần tiếp tục xử lí bằng dung dịch HCl 0,2N cho ñến khi không thấy xuất hiện bọt CO2. Việc phá hủy cacbonat khi phân tích thành phần cơ giới là cần thiết vì Ca và Mg trong ñất có vai trò chất kết dính, chúng liên kết các nguyên tố cơ học lại với nhau tạo thành những ñoàn lạp có kích thước lớn hơn.

Tiếp tục ñổ HCl 0,2N vào mẫu ñất, dùng ñũa thủy tinh khuấy, ñể lắng một thời gian rồi gạn phần nước trong ở bát sứ theo ñũa thủy tinh qua phễu lọc. Hai mẫu ñất ñược xử lí song song cho ñến khi nhỏ HCl 0,2N không thấy xuất hiện bọt khí thì dừng lại.

Sau khi phá hủy cacbonat, dùng dung dịch HCl 0,05N chuyển dần mẫu ñất ở bát sứ lên giấy lọc ñặt trong phễu. Mẫu ñất dùng ñể xác ñịnh lượng tiêu hao khi xử lí HCl cần chuyển lên giấy lọc ñặt trong phễu những ñã cân trước khối lượng của giấy lọc. ðất trên phễu tiếp tục ñược rửa bằng HCl 0,05N cho ñến khi hết phản ứng với Ca2+. ðể thử phản ứng, dùng ống nghiệm hứng một ít dịch lọc, thêm hai giọt chỉ thị phenolphtalein và dùng NH4OH 10% ñể trung hòa theo từng giọt cho ñến khi xuất hiện màu hồng, phản ứng lúc này hơi kiềm. Thêm vài giọt CH3COOH 10% ñể axit hóa dung dịch, thêm vài giọt (NH4)2C2O4 4% và ñun ñến sôi. Nếu có Ca2+ thì sẽ xuất hiện tinh thể CaC2O4 rất rõ. Nếu hết Ca2+ (không có kết tủa) chuyển hết ñất lên phễu bằng dung dịch HCl 0,05N. Tiếp tục rửa mẫu ñất trên phễu lọc bằng nước cất cho ñến khi hết phản ứng với clo. ðể thử phản ứng, dùng ống nghiệm hứng một ít dung dịch lọc, dùng vài giọt HNO3 10% ñể axit hóa dung dịch sau ñó thêm vài giọt AgNO3 5%, Nếu còn clo sẽ xuất hiện kết tủa màu trắng AgCl.

ðối với những mẫu ñất không có cacbonat thì dùng ngay axit HCl 0,05 N ñể xử lí, sau ñó cũng chuyển qua phễu lọc, rửa cho ñến khi hết canxi và clo như trình tự trên.

Mẫu ñất dùng ñể tính lượng tiêu hao khi xử lí HCl, sau khi ñã rửa, ñất và giấy lọc ñược cho vào trong cốc sứ hoặc nhôm ñã cân trước khối lượng, sấy khô ở 1050C ñến khối lượng không ñổi rồi cân. Căn cứ vào hiệu số khối lượng, xác ñịnh lượng tiêu hao khi xử lí HCl.

Mẫu ñất dùng ñể phân tích thành phần cơ giới, sau khi ñã rửa sạch Ca2+ và clo, dùng ñũa thủy tinh chọc thủng giấy lọc, dùng nước cất cọ rửa trực tiếp vào bình có dung tích khoảng 750 cm3. Thêm nước cất vào bình ñến thể tích khoảng 250 cm3 và thêm NaOH 1N theo dung tích hấp phụ của ñất. Cứ 1 ml NaOH 1N tương ứng với 10mgñl của dung tích hấp phụ. Việc thêm NaOH 1N mục ñích ñể phá vỡ hoàn toàn các vi ñoàn lạp và chuyển sang các nguyên tố cơ học.

Vì các mẫu ñất dùng ñể phân tích thành phần cơ giới nhiều khi chưa xác ñịnh dung tích hấp phụ trước, cho nên ñể thuận tiện người ta quy ñịnh lượng NaOH 1N (ml) thêm vào các loại ñất ở bảng sau.

Bảng 9.3. Lượng NaOH 1N dùng cho các loại ñất khác nhau

Loại ñất Lượng NaOH 1N

(ml)

135

1) ðất feralit : Tầng 0 - 50 cm

Các tầng dưới

2) ðất feralit trên sản phẩm ñá vôi: Tầng 0 - 50 cm

Các tầng dưới

3) ðất macgalit: Tầng 0 - 50 cm

Các tầng dưới

4) ðất phù sa

ðất phù sa có tầng rửa trôi, bạc màu

Các loại phù sa khác

1 - 2

1 - 1,5

1,5 - 3

2 - 3,0

2 - 5

2 - 3

0,5 - 1,5

0,5 - 1,5

1 - 3

Sau ñó ñem ñun sôi thể huyền phù 1 giờ, thời gian tính từ lúc bắt ñầu sôi. Làm nguội dung dịch và chuyển toàn bộ dung dịch vào ống ñong có dung tích 1 lít qua rây cỡ 0,25 mm. Dùng nước cất rửa phần chứa trên rây và sau ñó thêm nước cất ñến 1 lít. Như vậy, phần còn lại trên rây gồm những cấp hạt có kích thước từ 0,25 - 1,0 mm, phần chứa trong ống ñong là những cấp hạt có kích thước < 0,25 mm. Phần chứa trên rây cho vào chén sứ ñã biết khối lượng, sấy ở 1050C ñến khối lượng không ñổi. Nếu cần tách cấp hạt cát khô 1 - 0,5 mm thì dùng thêm rây 0,5mm và sẽ thu ñược 2 cấp hạt cát thô: 1 - 0,5 mm và cát trung bình 0,5 - 0,25 mm.

Tiến hành phân tích các cấp hạt phần trong ống ñong dựa vào vận tốc lắng của phương trình Stockes. Tương quan giữa kích thước cấp hạt và ñộ sâu ống hút (pipet) trong dung dịch như sau:

- ðối với cấp hạt < 0,050 mm thì ñộ sâu ống hút là 25 cm

- ðối với cấp hạt < 0,010 mm thì ñộ sâu ống hút là 10 cm

- ðối với cấp hạt < 0,005 mm thì ñộ sâu ống hút là 10 cm

- ðối với cấp hạt < 0,001 mm thì ñộ sâu ống hút là 7 cm

Thời hạn lấy mẫu từ những ñộ sâu khác nhau ñược tính từ khi ngừng khuấy ñục dung dịch, thời hạn này thay ñổi phụ thuộc vào nhiệt ñộ và tỉ trọng thể rắn của ñất. Trong khi phân tích cần giữ ở ñiều kiện nhiệt ñộ cố ñịnh. Ví dụ, những ống ñong chứa mẫu có ñặt trong một bể nước làm bằng mica trong suốt, nước trong bể ñược ñiều hòa nhiệt ñộ nhờ hai vòi nước nóng và lạnh, hoặc ống ñong ñược ñậy nắp ñể giữ nhiệt, hạn chế không cho nhiệt ñộ dao ñộng gây ảnh hưởng ñến vận tốc chìm lắng.

ðể theo dõi nhiệt ñộ, ñặt nhiệt kế vào ống ñong chứa nước và giữ nhiệt ñộ như ñiều kiện của những ống dung dịch ñất. Bởi vì khoảng thời gian giữa những lần lắc - hút ñối với những cấp hạt < 0,05; < 0,01 và < 0,005 mm không lâu lắm nên nhiệt ñộ có thể chỉ ño một lần. Khi cần lấy cấp hạt < 0,001 mm, nên ño nhiệt ñộ ba lần: sau khi lắc dung dịch, trước khi hút và 1 lần vào giữa hai thời ñiểm trên. Lấy nhiệt ñộ trung bình sau 3 lần ño, ñối chiếu với tốc ñộ lắng tương ứng chọn ñể phân tích.

Về tỉ trọng thể rắn, nên lấy giá trị chính xác của từng loại ñất nghiên cứu. Tuy nhiên, trong phân tích có thể dùng những trị số tương ñối gần ñúng cho một số trường hợp.

Bảng 9.4. Tỉ trọng thể rắn của một số nhóm ñất chính ở Việt Nam

ðộ sâu (cm) Nhóm ñất feralit (ñất ñỏ vàng) Nhóm ñất phù sa trồng lúa

0-20

20-50

50-100

2,55-2,65

2,60-2,65

2,65

2,65 (chung cho cả các tầng dưới)

136

100-150

150-200

2,70

2,70

ở bảng chỉ dẫn thời hạn lấy mẫu dung dịch huyền phù trong ống ñong ở các ñộ sâu khác nhau tương ứng với vận tốc lắng của các cấp hạt theo phương trình Stockes trong ñiều kiện nhiệt ñộ và tỉ trọng thể rắn của ñất khác nhau.

Vận tốc chìm lắng của các cấp hạt (V) tính theo phương trình Stockes:

V (cm/s) = ηdd

rg−12...

9

2

r : Bán kính của cấp hạt (mm)

d1 : Tỉ trọng thể rắn của ñất

d : Tỉ trọng chất lỏng khi dùng phân tích

g : Gia tốc trọng trường khi vật rơi tự do bằng 981cm/s

η : ðộ nhớt của chất lỏng (poazơ)

Dụng cụ ñể phân tích thành phần cơ giới ñất bằng pipet theo Katrinski ñược trình bày ở hình 22.

Kĩ thuật lấy mẫu dung dịch huyền phù bằng dụng cụ này như sau: khuấy dung dịch huyền phù trong ống ñong bằng que khuấy. Que khuấy gồm một ống cao su hình tròn gắn với ñũa thủy tinh hoặc que kim loại không gỉ. Tấm cao su hình tròn ñược ñục thành nhiều lỗ ñường kính mỗi lỗ khoảng 3 mm. Que khuấy cho chuyển ñộng từ trên xuống dưới và ngược lại 10 lần trong 20 giây. Theo thời hạn ñã tính sẵn (xem phụ lục 8) nhúng ống hút xuống ñến ñộ sâu quy ñịnh hút lấy thành phần cấp hạt cần tìm, dung dịch ñược hút vào pipet một cách từ từ. Lấy 25 ml dung dịch huyền phù khi xác ñịnh thành phần cấp hạt < 0,005 mm trong thời hạn 30 giây, ñối với cấp hạt < 0,01 mm trong thời hạn 25 giây và cấp hạt < 0,05 mm trong thời hạn 20 giây. Mẫu lấy xong cho bốc hơi trên bếp cách cát hoặc trên nồi cách thủy, sau ñó sấy ở nhiệt ñộ 1050C ñến nhiệt ñộ không ñổi. Khối lượng cốc ñã ñược cân sẵn. Sau khi cân xong tính kết quả.

Hàm lượng các cấp hạt ñược tính ra phần trăm theo công thức:

Hình 9.1. Dụng cụ pipet ñể lấy mẫu khi xác ñịnh thành phần cơ giới

137

X = mb

a

.

100.1000.

x : Thành phần cần tìm tính ra %, thành phần này nhỏ hơn kích thước cấp hạt nào ñó, ví dụ < 0,05 mm; < 0,01 mm...

a : Khối lượng của thành phần nhỏ hơn kích thước cấp hạt cần tìm (g)

b : Thể tích dung dịch huyền phù (ml)

m : Khối lượng ñất khô tuyệt ñối lấy khi phân tích (g)

Trong thực tế phân tích không nên tính theo ñất “khô tuyệt ñối”, mà nên tính theo ñất “khô không khí”, làm như vậy sẽ có nhiều thuận lợi trong việc tính kết quả. Muốn vậy, nhân công thức trên với hệ số khô kiệt (k). Hệ số k ñược xác ñịnh theo công thức

k = 100

100 hyW+

Theo công thức này Why là ñộ hút ẩm không khí (ñộ ẩm hydroscopic).

Khối lượng thành phần có kích thước xác ñịnh (0,05 - 0,01; 0,01 - 0,005 mm; 0,005 - 0,001 mm và < 0,001 mm) ñược tính bằng cách trừ khối lượng hoặc hàm lượng phần trăm của thành phần tiếp theo.

Ví dụ cụ thể về cách tính:

1) Khối lượng ñất khô không khí lấy khi phân tích là 10 g

2) Khối lượng thành phần có kích thước 1 - 0,25 mm là 0,81 g

3) Lượng tiêu hao khi xử lí bằng HCl là 0,232 g

4) Khối lượng thành phần trong 25 cm3 dung dịch

Kích thước cấp hạt (mm)

< 0,05

< 0,01

< 0,005

< 0,001

Khối lượng thành phần cấp hạt (g)

0,116

0,075

0,015

0,009

5) Thành phần cấp hạt tính ra % so với khối lượng ñất khô:

Khối lượng cấp hạt (mm)

1- 0,25

< 0,05

< 0,01

< 0,005

< 0,001

Thành phần (%)

= 10

.100.81,0 k= 8,18

= 25.10

.1000.100.116,0 k= 46,8

= 25.10

.1000.100.075,0 k= 30,3

= 06,625.10

.1000.100.015,0=

k

= 64,325.10

.1000.100.009,0=

k

138

Khi thêm vào dung dịch huyền phù 2 ml NaOH 1N, tương ứng 0,08 g, nếu tính với lượng ñất dùng phân tích 10g thì chiếm tỉ lệ 0,8%. Như vậy thực tế hàm lượng cấp hạt nhỏ hơn 0,001 mm chỉ bằng 3,64 - 0,8 = 2,84%.

6) Khối lượng thành phần (%) so với khối lượng ñất

Kích thước cấp hạt (mm)

1 - 0,25

0,05 - 0,01

0,01 - 0,005

0,005 - 0,001

< 0,001

Thành phần (%)

= 8,18

= 46,8 - 30,3 = 16,5

= 30,3 - 6,06 = 24,24

= 6,06 - 3,64 = 2,42

= 3,64 - 0,8 = 2,84

7) Lượng tiêu hao khi xử lí bằng HCl:

34,210

01,1.100.232,0=

8) Thành phần cấp hạt có kích thước 0,25 - 0,05 mm so với khối lượng ñất khô là:

100 - (8,18 + 16,5 + 24,24 + 2,42 + 2,84 + 2,34) = 43,48%

ðối với những ñất có thành phần cơ giới nhẹ, dùng rây khi phân tích có thể phân chia thêm những thành phần chi tiết hơn. Ví dụ, có thể dùng rây cỡ 0,1 mm. Như vậy, cùng với cỡ rây có kích thước 0,5 và 0,25 mm có thể chia ñược 1 - 0,5; 0,5 - 0,25 và 0,25 - 0,1 mm. Hàm lượng của chúng trong ñất ñược tính bằng %. Tổng lượng của chúng cùng với những thành phần thu ñược khi hút bằng ống hút cộng gộp lại, lấy 100% trừ cho toàn bộ các thành phần trên sẽ thu ñược thành phần cấp hạt 0,1 - 0,05 mm, như vậy có thể thu ñược một ñặc trưng chi tiết hơn ñối với các thành phần cát của ñất nhẹ. ðối với những ñất chứa cacbonat lượng “tiêu hao” khi xử lí bằng HCl nên phân chia thành cột riêng gọi là “thành phần tổng hợp” cũng gộp vào trong 100% của thành phần cơ giới ñất. d. Các phương pháp thể hiện kết quả phân tích thành phần cơ giới ñất:

Kết quả phân tích thành phần cơ giới thường ghi thành bảng, trong bảng số liệu này bên cạnh những thành phần cấp hạt còn ghi thêm cột “ñộ ẩm không khí” và “lượng tiêu hao” khi xử lí bằng HCl. Trị số về “lượng tiêu hao” ñặc trưng cho sự có mặt ñất những cacbonat và những muối dễ hòa tan trong ñất.

ðể dễ hình dung những kết quả phân tích thu ñược, người ta thường thể hiện dưới dạng ñồ thị.

Ví dụ, phương pháp phẫu diện, phương pháp hình tròn (hình 9.2; 9.3).

139

Hình 9.2 - Phương pháp ñồ thị biểu diễn thành phần cơ giới ñất

theo ñộ sâu phẫu diện ñất.

1 - Lượng tiêu hao khi xử lí HCl 0,05N

2 - Cát thô

3 - Cát mịn

4 - Limon thô

5 - Limon trung bình

6 - Limon mịn

7 - Sét.

Việc thể hiện trên ñồ thị theo phương pháp phẫu diện hiện nay ñược sử dụng rộng rãi trong thổ nhưỡng bởi vì nó có thể biểu thị ñược những dẫn liệu phân tích theo ñộ sâu các tầng phát sinh khác nhau.

Trục tung ghi ñộ sâu, trục hoành ghi hàm lượng % thành cấp hạt. Khi vẽ nhớ tính trị số sau cộng tiếp theo trị số trước ở trục hoành.

20%

54%

16%

9%

1%

Hình 9.3. - Phương pháp hình tròn biểu diễn thành phần cơ giới ñất

(Diện tích hình tròn = 100%)

e. ứng dụng thực tiễn của phân tích thành phần cơ giới Có nhiều bảng phân loại thành phần cơ giới ñất, nhưng bảng phân loại của Katrinski hiện nay

ñược dùng rộng rãi trong thổ nhưỡng học. Theo bảng phân loại này thì việc xác ñịnh tên gọi và phân chia các nhóm ñất ñều dựa vào kết quả phân tích thành phần cơ giới. ðất gọi theo thành phần cơ giới căn cứ vào hàm lượng cát vật lí và sét vật lí và theo ưu thế trội của các thành phần; sỏi, san 1 - 3 mm, cát 1 - 0,05 mm, limon thô 0,01 - 0,05 mm, limon 0,01 - 0,001 mm và sét < 0,001 mm.

140

Bảng 9.5. Phân loại ñất theo thành phần cơ giới của Katrinski

Hàm lượng sét vật lí

(cấp hạt < 0,01 mm)

Hàm lượng cát vật lí

(cấp hạt > 0,01 mm)

ðất

Kiểu pôtzôn

Kiểu ñất ñồng cỏ; ñất ñỏ; ñất

vàng ðất mặn

Kiểu pôtzôn

Kiểu ñất ñồng cỏ; ñất ñỏ; ñất

vàng ðất mặn

ðất ñược gọi theo thành phần

cơ giới

0-5

5-10

10-20

20-30

30-40

40-50

50-65

65-80

> 80

0-5

5-10

10-20

20-30

30-45

45-60

60-75

75-85

> 85

0-5

5-10

10-15

15-20

20-30

30-40

40-50

50-65

> 65

100-95

95-90

90-80

80-70

70-60

60-50

50-35

35-20

< 20

100-95

95-90

90-80

80-70

70-55

55-40

40-25

25-15

< 15

100-95

95-90

90-85

85-80

80-70

70-60

60-50

50-35

< 35

Cát xốp

Cát dính

Cát pha

Thịt nhẹ

Thịt trung bình

Thịt nặng

Sét nhẹ

Sét trung bình Sét nặng

g. Xác ñịnh thành phần cơ giới (Theo FAO - UNESCO)

Nguyên lí: Tách phần khoáng của ñất thành những cấp hạt có kích thước khác nhau và xác ñịnh tỉ lệ của chúng. Quá trình phân tích áp dụng cho toàn bộ vật liệu ñất, nghĩa là gồm vật liệu thô và ñá. Nhưng phương pháp này chỉ áp dụng ñối với những ñất mịn (< 2 mm).

Phần quan trọng trong phân tích là xử lí sơ bộ mẫu ñể làm phân tán toàn bộ các cấp hạt nguyên sinh. Do ñó, các vật liệu có tính dính kết (thường có nguồn gốc thứ sinh), ví dụ: chất hữu cơ, CaCO3 cần phải loại, trong một số trường hợp, setquioxit cũng cần phải loại trừ. Tuy nhiên cần nhấn mạnh, ñối với mục ñích sản xuất nông nghiệp thì việc loại trừ này về cơ bản không cần thiết. Vì vậy, tùy theo mục ñích nghiên cứu, việc xử lí sơ bộ là không bắt buộc. Với mục ñích ñánh giá các ñặc trưng hóa học ñất, cần tiến hành tách chất hữu cơ bởi H2O2 và CaCO3 bởi một dung dịch ñệm có tính axit yếu pH = 5.

Dụng cụ:

Bếp cách thủy

Bếp ñiện

Máy lắc

Máy rây

ðồng hồ bấm

Cốc xác ñịnh ñộ ẩm

Hệ thống rây có ñáy (ñường kính khoảng 20 cm)

Phễu nang bằng ñồng (ñường kính khoảng 23 cm)

Rây nhỏ cỡ 50 µm (ñường kính khoảng 8 cm)

ống ñong thủy tinh dung tích 1 lít

Tủ sấy

Hóa chất:

H2O2 30%

Dung dịch ñệm axetat nồng ñộ 1M: hòa tan 680 g CH3COONa.3H2O trong khoảng 4 lít nước, chỉnh tới pH = 5,0 bằng 250 ml CH3COOH, thêm nước cất ñến 5 lít.

Thuốc thử làm phân tán: Dung dịch pirophotphat 5%: hòa tan 50 g Na4P2O7.10H2O trong chai có dung tích 1 lít, sau ñó thêm nước cất ñến vạch 1 lít.

141

Có thể thay thế bằng dung dịch natri hecxametaphotphat 3%: hòa tan 30 g (NaPO3)6 trong nước chứa trong chai có dung tích 1 lít, sau ñó thêm nước cất ñến vạch mức.

Dung dịch NaCl bão hòa: hòa tan 350 g NaCl trong 1 lít nước nóng, làm nguội.

Trình tự phân tích:

ðối với ñất có chứa cacbonat ( OHpH2

> 6,8) thì tiến hành loại cacbonat bằng xử lí bởi dung dịch

ñệm axit yếu. Nếu ñất không chứa cacbonat ( OHpH2

≤ 6,8) thì tiến hành oxi hóa chất hữu cơ.

1) Loại cacbonat: Cân khoảng 20 g ñất mịn, cho vào cốc dung tích 1 lít (nếu hàm lượng cacbonat nhiều hơn 10% thì có thể cân nhiều hơn 20 g ñất). Thêm khoảng 100 ml dung dịch ñệm và ñun nóng trên bếp cách thủy (1000C). ðậy cốc bằng miếng kính. Sau khi ngừng sủi bọt, thêm khoảng 25 ml dung dịch ñệm ñến khi sự sủi bọt không tái diễn sau khi thêm tiếp dung dịch ñệm mới. Trong trường hợp hàm lượng cacbonat rất nhiều, có thể thêm 5 ml axit axetic băng thay cho dung dịch ñệm. Trong trường hợp này thể dùng giấy quỳ ñể thử pH.

Li tâm và gạn hoặc ñể qua ñêm rồi dùng xiphông hút dung dịch bên trên.

Trường hợp bị tụ keo (peptit hóa), thêm một vài mililit dung dịch NaCl bão hòa.

Chú ý: Phương pháp rửa này nhằm loại canxi axetat từ dung dịch lơ lửng vì nó có thể chuyển sang dạng canxi oxalat không tan.

2) Ôxi hóa chất hữu cơ: Cân khoảng 20 g ñất mịn, cho vào cốc dung tích 1 lít. Thêm 15 ml nước và 15 ml H2O2 30% (trong trường hợp xử lý sơ bộ thì không cần thêm H2O hoặc thêm ít), ñậy cốc bằng miếng kính. Trường hợp sủi bọt mạnh, ñặt cốc vào trong bể nước lạnh. Cũng có thể ngăn sự sủi bọt bằng cách thêm vài giọt cồn. ðể qua ñêm, hôm sau ñặt lên bếp cách thủy (khoảng 800C) và thêm ñều ñặn 5 - 10 ml H2O2 30% cho ñến khi phân hủy chất hữu cơ xảy ra hoàn toàn (thông thường dung dịch bên trên trở nên trong).

Thêm H2O ñến thể tích khoảng 300 ml. ðặt lên bếp nóng và ñun sôi cẩn thận trong 1 giờ ñể loại toàn bộ H2O2 còn dư. Lấy cốc ra và ñể nguội. Li tâm hoặc gạn ñể các vật liệu lắng trong bình và dùng xiphông hút. Thêm khoảng 300 ml H2O và làm phân tán lại kết tủa. Nhắc lại 8 - 9 lần cho ñến khi xuất hiện peptit hóa. Muốn vậy phải rửa nhiều lần (hơn 4 lần), sau ñó thêm một vài ml dung dịch NaCl bão hòa ñể xúc tiến peptit hóa.

Chú ý: ðối với những ñất có chứa thạch cao cần rửa nhiều ñể hòa tan chúng.

3) Tách hợp chất sắt: Thao tác này thường thực hiện sau những xử lí sơ bộ, trước khi làm phân tán ñất.

Thuốc thử:

Dung dịch ñệm natri xitrat 0,3M và natri ñicacbonat 0,1M: hòa tan 88 g Na -xitrat.2H2O và 8,4g NaHCO3 trong nước và thêm nước tới vạch 1 lít.

Natri ñithionit

Trình tự phân tích:

Thêm khoảng 200 ml dung dịch ñệm vào 20 g ñất mịn chứa trong cốc dung tích 1 lít. ðun nóng trên bếp cách thủy tới khoảng 750C (không ñược vượt quá 800C vì S nguyên tố sẽ kết tủa). Dùng thìa thêm khoảng 1 g natri ñithionit và khuấy liên tục khoảng 1 phút sau ñó khuấy ngắt quãng trong 5 phút. Nhắc lại 3 - 4 lần. Li tâm và gạn lọc hoặc ñể cho lắng rồi dùng xiphông hút.

142

ðối với những mẫu chứa nhiều hơn 5% Fe2O3 có dạng chiết dễ rút, cần nhắc lại trình tự thêm 1 - 2 lần: màu nâu hoặc màu ñỏ của mẫu chứng tỏ chưa loại Fe hoàn toàn. Rửa thêm 1 lần nữa với khoảng 250 ml hoặc 500 ml NaCl 1M. Tiếp tục làm như khâu cuối cùng của phần oxi hóa chất hữu cơ.

4) Làm phân tán ñất: Chuyển hết dịch lơ lửng vào chai nhựa dung tích 1 lít (nếu không xử lí sơ bộ, cân khoảng 20 g vào chai). Thêm 25 ml thuốc thử phân tán, dùng nước ñưa thể tích ñến khoảng 400 ml, rồi nút chai, lắc ñể qua ñêm (16 giờ).

5) Tách riêng các cấp hạt: Rây dung dịch lơ lửng qua rây cỡ 50 µm qua phễu ñặt trên ống ñong. Dùng nước ñưa thể tích trong ống tới 1 lít. Rửa cấp hạt cát trên rây và chuyển vào cốc, cho bay hơi trên bếp cách thủy, sấy ở 1050C khoảng 1 giờ.

6) Xác ñịnh cấp hạt cát: Chuyển cát vừa sấy khô ở trên vào rây ở trên cùng của một chồng rây theo thứ tự 1000 µm, 500 µm, 25 µm, 100 µm, 50 µm và ñáy.

Rây khoảng 10 phút trên máy rây, ñược thiết ñặt biên ñộ: ñộ rộng 7,0 và khoảng cách 4 (ở vị trí lắp ñặt này các rây sẽ rung với tần số 3000 dao ñộng/phút và biên ñộ khoảng 2mm). Rửa sạch các cấp hạt ở từng rây vào các cốc ñã cân trước, sấy, cân. Khối lượng A qua E là cấp hạt cát.

Nếu có vật liệu tụ lại ở rây ñáy (< 50 µm) thì chuyển nó sang dạng lơ lửng trong ống ñong ñể lắng ñọng như cách làm ở phần tách riêng các cấp hạt.

7) Xác ñịnh limon (slit) và sét (clay):

Cấp hạt < 50µm: Vật liệu < 50 µm có thể ñọng lại trong quá trình rây (xem: xác ñịnh cấp hạt cát), do vậy cần ñậy ống ñong bằng nút cao su và lắc ñều. ðặt ống ñong trên bàn, mở nút và dùng pipet hút 20 ml ở giữa tâm ống ñong. Chuyển dung dịch vào cốc ñã cân trước, cho bay hơi trên bếp cách thủy và sấy qua ñêm ở 1050C. Lấy cốc ra và làm nguội trong bình hút ẩm rồi cân (khối lượng khô F cho cấp hạt < 50 µm).

Cấp hạt < 20µm: ðậy nắp ống ñong và lắc ñều. ðặt ống ñong lên bàn dưới ống hút pipet. Sau ñúng 5 phút, dùng pipet hút 20 ml ở ñộ sâu như bảng 1. Chuyển dịch lơ lửng vừa lấy vào cốc ñã cân trước, cho bay hơi trên bếp cách thủy, sấy khô ở 1050C, cân.

Khối lượng mẫu G là cấp hạt < 20 µm.

Cấp hạt < 2µm: Sau 5h30’ dùng pipet hút 20 ml ở ñộ sâu của bảng 1. Chuyển dung dịch mới lấy vào cốc ñã cân trước, cho bay hơi trên bếp cách thủy, sấy khô ở 1050C và cân.

Khối lượng H là cấp hạt < 2 µm.

Chú ý: Sau mỗi lần lấy mẫu bằng pipet, ño nhiệt ñộ của dung dịch lơ lửng.

Bảng 9.6. ðộ sâu (cm) lấy mẫu cấp hạt phụ thuộc vào nhiệt ñộ (0C).

Nhiệt ñộ

(0C)

5 phút

(< 0,02 mm)

5h30'

(< 0,002 mm)

Nhiệt ñộ

(0C)

5phút

(< 0,02 mm)

5h30'

(< 0,002 mm)

19

20

21

22

23

24

10,5

10,8

11,0

11,3

11,6

11,9

6,9

7,1

7,2

7,4

7,6

7,8

28

29

30

31

32

33

13

13,3

13,6

13,9

14,2

14,4

8,6

8,8

9,0

9,1

9,3

9,5

143

25

26

27

12,1

12,4

12,7

8,0

8,2

8,4

34

35

36

14,8

15,1

15,4

9,7

9,9

10,1

Kết quả tính theo khối lượng sau khi sấy khô. ðó là tổng của tất cả các cấp hạt riêng biệt.

Cách tính:

Sét (clay) (< 2 µm) = (H x 50) - 0,75 g* (khối lượng K).

Limon (silt) (2-20 µm) = (G x 50) - 0,75 - K (khối lượng L)

Limon (20-50 µm) = (F x 50) - 0,75 - K - L (khối lượng M)

Cát ( > 50 µm) = A + B + C + D + E (khối lượng N)

Khối lượng mẫu = K + L + M +N (tính theo gam)

Khối lượng các cấp hạt theo % tính như sau:

% sét (< 2 µm) =

% limon (2-20 µm) =

% limon (20-50 µm) =

% cát (2000 -1000 µm) =

% cát (1000-500 µm) =

% Cát (250-500 mm) =

% Cát (100-250 µm) =

% Cát (50-100 mm) =

khối lượng mẫu

L x 100

M

khối lượng mẫu x 100

khối lượng mẫu

A x 100

khối lượng mẫu

B x 100

C

khối lượng mẫu x 100

D

khối lượng mẫu x 100

E

khối lượng mẫu x 100

K

khối lượng mẫu x 100

144

Chú ý: Với cách tính như trên thì các cấp hạt sét, limon và cát tính ra % là của ñất mịn (trừ cacbonat và chất hữu cơ ñã bị loại trước). Cấp hạt thô > 2 mm nếu có, tính ra % của tổng số ñất. Nếu tất cả các cấp hạt cần tính ra tổng số ñất thì:

% sét, limon, cát =

Trường hợp tách Fe thì % “sắt tự do” sẽ tính cả vào phần ngoặc ñơn của công thức.

8) Xác ñịnh sét mịn (< 0,2 µm):

Nguyên lí: Vì tốc ñộ lắng chậm của hạt sét nên không thuận tiện cho lắng trong ống ñong. Do ñó phải dùng máy li tâm ñể tăng tốc ñộ lắng.

Trình tự phân tích: Sau khi dùng pipet lấy mẫu cấp hạt < 2 µm, ñậy nút ống ñong và lắc ñều. ðể yên tĩnh khoảng 1 giờ và lấy khoảng 200 ml dung dịch lơ lửng cho vào chai li tâm có dung tích 250 ml. Khoảng cách giữa bề mặt dung dịch lơ lửng và tâm máy li tâm trong khi quay là khoảng 16 cm.

Cho máy quay với vận tốc 1800 vòng/ phút theo thời gian chỉ dẫn ở bảng 2 (trừ thời gian bắt ñầu và kết thúc).

Chú ý: Nếu quay 2500 vòng/ phút thì thời gian sẽ ít hơn. Trong trường hợp này sử dụng chai nhựa. Tắt máy li tâm, lấy các chai ra khỏi máy và ñặt dưới pipet. Dùng pipet hút 20 ml ở ñộ sâu khoảng 4,5 cm. ðo nhiệt ñộ của dịch lơ lửng. Chuyển thể tích ñã lấy vào cốc ñã cân trước, cho bay hơi trên bếp cách thủy, sấy ở nhiệt ñộ 1050C qua ñêm. Làm nguội cốc trong bình hút ẩm và cân khối lượng cấp hạt P (g).

Tính kết quả:

% sét mịn (< 0,2 µm) =

Bảng 9.7. Tốc ñộ li tâm, thời gian quay và nhiệt ñộ ñể xác ñịnh cấp hạt sét mịn < 0,2 µµµµm. Nhiệt ñộ 0C 1800 vòng/phút 2500 vòng/phút

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

32,0

31,0

30,0

29,5

29,0

28,0

27,5

27,0

26,5

26,0

25,0

24,5

24,0

23,5

23,0

16,5

16,1

15,7

15,3

15,0

14,6

14,2

14,0

13,5

13,3

13,0

12,8

12,5

12,3

12,0

100 - % (cấp hạt > 2mm + cacbonat + chất hữu cơ) 100 . % sét, limon, cát của ñất mịn

(P . 50) - 0,75

khối lượng mẫu x 100

145

35

36

37

38

39

40

22,5

22,0

22,0

21,5

21,0

20,5

11,8

11,5

11,3

11,1

10,9

10,6

9) Sét phân tán trong nước:

Nguyên lí: ðó là hàm lượng sét xác ñịnh ñược khi không xử lí sơ bộ mẫu khi không thêm tác nhân phân tán trước khi lắc với nước.

Trình tự phân tích:

Cân khoảng 10 g ñất mịn cho vào chai dung tích 1 lít. Thêm khoảng 400 ml nước và lắc qua ñêm. Chuyển sang ống ñong lắng, dung tích 1 lít và thêm nước ñến vạch mức. Sau 5h30’ dùng pipet hút 20 ml ở ñộ sâu theo bảng 1. Chuyển dung dịch lơ lửng vừa lấy vào cốc ñã cân trước, cho bay hơi trên bếp cách thủy, sấy ở 1050C qua ñêm. Làm nguội cốc trong bình hút ẩm rồi cân (khối lượng cấp hạt Q (g)).

Cách tính:

s : Khối lượng mẫu khô không khí tính ra gam.

mcf : Hệ số ñộ ẩm.

10) Một số phương pháp khác trong phân tích thành phần cơ giới ñất.

Nhìn chung nhiều nhà khoa học trên thế giới ñã thừa nhận phương pháp pipet là phương pháp chính xác nhất, thuận tiện nhất. Tuy nhiên, ở một số nước lại sử dụng những phương pháp riêng.

Ví dụ, ở Mĩ kích thước cấp hạt sét ñược quy ñịnh là < 0,002 mm; dùng H2O ñể phá hủy chất hữu cơ và HCl ñể phá hủy cacbonat. Cấp hạt limon ñược quy ñịnh có kích thước từ 0,05 - 0,002 mm, trong khi ñó, cũng cấp hạt limon này ñược Hội Thổ nhưỡng Quốc tế quy ñịnh là 0,02 - 0,002 mm.

Các nước này ñã sử dụng máy lắc như là biện pháp cơ học ñể phân tán các cấp hạt và khi phân loại người ta sử dụng tam giác ñều với thang phân loại như sau:

1. Cát (Sand)

2. Cát pha thịt (Loamy - sand)

3. Thịt pha cát (Sandy - loam)

4. Thịt (Loam)

5. Thịt pha limon (Silty - loam)

6. Limon (Silt)

7. Thịt pha sét và pha cát (Sandy clay - loam)

8. Thịt pha sét và pha limon (Silty clay - loam)

9. Thịt pha sét (Clay - loam)

10. Sét pha limon (Silty - clay)

11. Sét pha cát (Sandy - clay)

Sét (%) = 50 x Q

s x 100 x mcf

Hình 9.4. Thành phần cơ giới phân loại theo

hình tam giác ñều

146

12. Sét (Clay)

Cần chú ý rằng khi phân loại các cấp hạt có tác giả dùng tam giác ñều (hình 9.3), có tác giả lại dùng tam giác vuông với trục tung biểu thị % của hàm lượng cấp hạt sét; trục hoành (cạnh ñáy) biểu thị % của hàm lượng cấp hạt cát còn cạnh huyền ñể trống.

Thành phần cơ giới theo những phương pháp của Mĩ ñược trình bày bằng hình tam giác ñều (hình 9.3) bao gồm 12 loại; 3 nhóm cấp hạt: sét; limon và cát ñược biểu thị ở ba cạnh. ðỉnh tam giác vuông tương ứng 100%. Từ ñáy tam giác ñến ñỉnh chia thành 10 hàng, mỗi hàng tương ứng 10%. Hàm lượng của ba nhóm cấp hạt: cát, limon, sét ñược biểu thị ở ba ñường thẳng song song với ñáy tam giác. Theo ñiểm giao nhau của ba ñường thẳng trong tam giác sẽ biết ñược loại ñất cần tìm.

9.1.2. Xác ñịnh dung trọng của ñất

Dung trọng (khối lượng của một ñơn vị thể tích) của ñất là tỉ số giữa khối lượng ñất khô tuyệt ñối ở trạng thái tự nhiên (kể cả những lỗ hổng) của một thể tích xác ñịnh với khối lượng của nước có cùng thể tích ở 4oC.

Dung trọng ñặc trưng cho ñộ chặt của ñất, trong thổ nhưỡng học, dung trọng sử dụng ñể:

- Tính trữ lượng nhiều nguyên tố và chuyển chúng từ % sang thể tích.

- ðánh giá một cách khách quan quá trình rửa trôi theo chiều sâu và việc chuyển dời các nguyên tố từ tầng này sang tầng ñất khác.

- Tính ñộ hổng hay ñộ xốp của ñất.

Có nhiều phương pháp xác ñịnh dung trọng nhưng thuận tiện và phổ biến nhất hiện nay là phương pháp dùng ống ñóng.

Trình tự phân tích:

ðặt những ống ñóng hình trụ có thể tích 100 m3 lên khu vực của thành phẫu diện ñất ñã ñược làm bằng phẳng, ít nhất phải xác ñịnh 3 lần lặp lại và như vậy phải sử dụng 3 ống song song cùng một lúc. ðặt các khuôn ñịnh hướng lên trên những ống này, sau ñó dùng choòng (nêm) ñặt lên trên cùng, dùng búa gỗ ñóng các ống vào ñất (hình 9.5).

1, 2 : ống ñóng có kích thước khác nhau

Hình 9.5. Dụng cụ lấy mẫu ñất ñể xác ñịnh dung trọng

147

6 : Búa gỗ

9 : Giá ñựng ống ñóng

10 : Choòng

Nhờ hệ thống choòng và ống khuôn ñịnh hướng nên các ống ñóng ñược ñóng thẳng và lún sâu vào ñất. Khi ống ñóng ñã lún sâu vào ñất hết cỡ nhắc choòng ra, dùng dao hoặc xẻng ñào, gọt, nhắc ống ñóng ra. Dùng tấm gỗ mỏng rồi lật ngược ống ñóng, dùng dao sắc gọt bằng phẳng ñất ở mặt ñáy dưới của ống. ðậy nắp, sau ñó gọt phía ñầu trên cũng bằng phẳng như vậy. Lau chùi sạch ñất dính bám xung quanh ống. Dùng dao xén cạy ñất trong ống vào hộp nhôm lớn trường hợp không có hộp nhôm thì dùng túi polyetilen hoặc giấy bóng mờ ñã gập sẫn thành phong bì. ðem cân hộp nhôm cùng với ñất tới ñộ chính xác 0,01 g.

Sau ñó có thể sử dùng mẫu ñất này ñể xác ñịnh tỉ trọng thể rắn, ñộ hút ẩm cực ñại...

Biết ñược khối lượng hộp nhôm (hoặc khối lượng túi polyetilen, túi giấy) khối lượng ñất và hộp có thể tính ñược khối lượng ñất khô tuyệt ñối. Biết khối lượng ñất khô tuyệt ñối và thể tích của ống ñóng ta sẽ tính ñược dung trọng theo biểu mẫu sau:

Bảng 9.8. Biểu mẫu ghi và tính kết quả dung trọng của ñất

ðất, cây trồng, ñịa

ñiểm

Tầng ñộ sâu (cm)

Số hộp nhôm

hoặc túi

Khối lượng bì (hộp

nhôm hoặc túi (a)

Khối lượng bì + ñất ướt

(b)

Khối lượng ñất

tươi

(P1 = b-a)

ðộ hút ẩm

không khí

(Why%)

Khối lượng ñất khô tuyệt ñối

P = P1x100/(100+ Why)

Thể tích ống

ñóng (V) cm3

Dung trọng

Dv = P/V

Theo thang ñánh giá của Katrinski:

Dung trọng nhỏ hơn 1 g/cm3 : ñất giàu chất hữu cơ

Từ 1,0 ñến 1,1 : ñiển hình cho ñất trồng trọt

1,2 : ñất hơi chặt

1,3 ñến 1,4 : ñất quá chặt

1,4 - 1,6 : ñiển hình cho tầng ñế cày; 1,6 ñến 1,8 - tầng tích tụ

quá chặt.

9.1.3. Xác ñịnh chất hữu cơ trong ñất

Sự tích luỹ chất hữu cơ ở dạng mùn trong ñất là do hoạt ñộng vi sinh vật, thực vật cũng như bón phân hữu cơ. Hàm lượng, thành phần mùn quyết ñịnh hình thái và các tính chất lí, hóa học, ñộ phì của ñất. Trong tầng mùn chứa gần 90% nitơ ở dạng dự trữ và phần lớn các nguyên tố dinh dưỡng như P, S, nguyên tố vi lượng, là kho dự trữ chất dinh dưỡng cho cây trồng.

Hiện có nhiều phương pháp xác ñịnh chất hữu cơ của ñất: phương pháp ñốt khô, phương pháp ñốt ướt (Chiurin, Walkley - Black), phương pháp ñốt mùn trong tủ sấy 150oC, thời gian 20 phút (Nikitin) và phương pháp oxi hóa mùn 24 giờ ở nhiệt ñộ 20oC (P.Antanova). Dưới ñây là một số phương pháp phổ biến ở Việt Nam.

148

a. Xác ñịnh chất hữu cơ theo phương pháp Chiurin:

Nguyên lí: Chất hữu cơ của ñất, dưới tác dụng của nhiệt ñộ, bị dung dịch K2Cr2O7 + H2SO4 (1:1) oxi hóa:

3C + 2K2Cr2O7 + 8H2SO4 → 3CO2 + 2K2SO4 + 2Cr2(SO4)3 + 8H2O

Lượng K2Cr2O7 còn dư ñược dùng dung dịch muối có tính khử là FeSO4 hay muối Morh (FeSO4.(NH4)2SO4.6.H2O) ñể chuẩn:

K2Cr2O7 + 6FeSO4 + 7H2SO4 → Cr2(SO4)3 + 3Fe2(SO4)3 + K2SO4 + 7H2O

Chất chỉ thị cho quá trình chuẩn ñộ này thường dùng là axit phenylanthranilic (C13H11O2N), màu chuyển từ ñỏ mận sang xanh lá cây, hoặc ñiphenylamin (C12H11N), màu sẽ chuyển từ lam tím sang xanh lá cây.

Trong quá trình chuẩn ñộ, Fe3+ tạo thành có thể ảnh hưởng tới quá trình chuyển màu chỉ thị, vì vậy trước khi chuẩn ñộ có thể cho thêm một lượng nhỏ H3PO4 hoặc muối chứa ion F- ñể tạo phức không màu với Fe3+.

Trình tự phân tích:

ðất ñể phân tích mùn và ñạm phải ñược chuẩn bị cẩn thận: lấy 5 - 10 g ñất ñã rây qua rây 1 mm, nhặt hết xác thực vật rồi giã nhỏ, rây qua rây 0,25 mm, trộn ñều.

Dùng cân phân tích cân 0,2 g (ñất nghèo mùn - dưới 1% thì cân 0,4 g, còn ñất giàu mùn thì cân 0,1 g) cho vào bình tam giác 100 ml.

Dùng burét cho từ từ chính xác 10 ml K2Cr2O7 0,4N vào bình. Lắc nhẹ bình, tránh ñể ñất bám lên thành bình. ðậy bình bằng một chiếc phễu nhỏ. ðun trên bếp cách cát cho dung dịch sôi ở nhiệt ñộ 1800C trong 5 phút.

Lấy ra ñể nguội, dùng nước thêm 10 - 20 ml vào xung quanh thành bình ñể rửa ñicromat bám vào. Cho vào 4 giọt chỉ thị axit phenylanthranilic 0,2 % và chuẩn ñộ bằng dung dịch muối Morh 0,2N ñến khi dung dịch chuyển từ màu tím mận sang màu xanh lá cây.

ðồng thời làm một thí nghiệm trắng: cân 0,2 g ñất ñã nung hết chất hữu cơ cho vào bình tam giác, cho vào ñúng 10 ml K2Cr2O7 0,4N và tiến hành các bước như phân tích mẫu:

Tính kết quả:

Chất hữu cơ = x K

V0 : Số ml muối Morh dùng chuẩn ñộ thí nghiệm trắng

V : Số ml muối Morh dùng chuẩn ñộ mẫu thí nghiệm

N : Nồng ñộ ñương lượng của dung dịch muối Morh

a : Lượng mẫu ñất lấy phân tích (g)

K : Hệ số chuyển ñổi từ mẫu khô không khí sang mẫu khô tuyệt ñối.

Hóa chất:

K2Cr2O7 0,4N trong H2SO4 (1:1): cân 40 g K2Cr2O7 tinh khiết, nghiền bằng chày trong cối sứ, hòa tan trong 500 ml nước. Nếu cần, ñun nóng nhẹ ñể tan hoàn toàn. ðể nguội, lọc rồi ñịnh mức ñến 1 lít. ðổ dung dịch vào bình ñịnh mức 2 lít rồi rót từ từ H2SO4 ñặc (d = 1,84) vào, vừa rót vừa lắc nhẹ, nếu quá nóng thì phải ñể nguội rồi mới rót tiếp, cho ñến thể tích 2 lít. Nồng ñộ của dung dịch này ñược

(V0- V).N.0,003.1,724.100

a

149

kiểm tra bằng dung dịch FeSO4 (hoặc muối Morh) 0,2N. Có trường hợp sau khi pha xong, ñể một vài hôm thấy có tinh thể màu ñỏ hình kim xuất hiện, trong trường hợp này chỉ cần thêm ít nước, lắc ñều tinh thể sẽ mất.

Dung dịch muối Morh 0,2N: cân 80 g (NH4)2SO4.FeSO4.6H2O hòa tan trong nước, thêm 20 ml H2SO4 ñặc, ñịnh mức ñến 1 lít. Nồng ñộ của dung dịch này ñược xác ñịnh bằng cách chuẩn ñộ với dung dịch KMnO4 0,1 N: lấy 10 ml muối Morh cho vào bình tam giác 250 ml, thêm 1 ml H2SO4 ñặc, 50 ml nước cất chuẩn ñộ bằng dung dịch KMnO4 0,1N ñến khi xuất hiện màu hồng bền trong 1 phút.

Chỉ thị axit phenylanthranilic: 0,2 g hòa tan trong 100 ml Na2CO3 0,2%. Sự chuyển màu ñen dần về sau này không ảnh hưởng gì ñến việc sử dụng chỉ thị.

Chú thích:

Trong phương pháp này phải chú ý khống chế nhiệt ñộ khi ñun oxi hóa mẫu. Nhiệt ñộ cao quá 1800C sẽ dẫn tới việc phân hủy cromic. Nikitin B.A (1972) ñưa ra phương pháp oxi hóa chất hữu cơ bằng cách ñun trong tủ sấy tại nhiệt ñộ 1500C trong 20 phút.

ðất chứa nhiều clorua cũng ảnh hưởng ñến kết quả phân tích vì có một phần Cr2O72- tiêu tốn cho

oxi hóa Cl-:

Cr2O72- + 6Cl- + 14H+ → 2Cr3+ + 3Cl2 + 7H2O

Vì vậy khi phân tích ñất mặn cần rửa sạch hết Cl- trước khi phân tích chất hữu cơ. b. Xác ñịnh chất hữu cơ theo phương pháp Walkley - Black:

Nguyên lí: Phương pháp dựa trên nguyên tắc oxi hóa chất hữu cơ của ñất bằng dung dịch K2Cr2O7. Sau ñó chuẩn lại lượng K2Cr2O7 dư, từ ñó tính ñược hàm lượng chất hữu cơ. ðiểm khác ở phương pháp này so với phương pháp Chiurin ở chỗ: nhiệt dùng cho quá trình oxi hóa ñược tạo ra do quá trình hòa tan H2SO4 ñặc trong dung dịch kali ñicromat.

Trình tự phân tích:

Cân 1 g ñất khô không khí cho vào bình tam giác 500 ml. Thêm 10 ml dung dịch K2Cr2O7 1N. Thêm 20 ml H2SO4 ñặc vào (thêm nhanh theo khả năng có thể thêm). Lắc nhẹ và giữ 30 phút. Thêm 200 ml nước cất và 10 ml H3PO4 85%. Thêm 1 ml chỉ thị ñiphenylamin. Chuẩn ñộ bằng dung dịch FeSO4 0,5N ñến khi dung dịch có màu xanh lá cây.

Hóa chất:

Hòa tan 49,039 g K2Cr2O7 trong nước cất và thêm thể tích ñến 1 lít.

FeSO4 0,5N: hòa tan 139 g FeSO4.7H2O trong 800 ml nước, thêm 20 ml H2SO4 ñặc rồi ñịnh mức ñến thể tích 1 lít.

ðiphenylamin: hòa tan 0,5 g chỉ thị trong 20 ml nước rồi thêm tiếp 100 ml H2SO4 ñặc.

Tính kết quả:

V0 - V1

C(%) = N x x 0,39 x K

a

N : Nồng ñộ ñương lượng của muối FeSO4.

V0, V1 : Là thể tích muối FeSO4 dùng ñể chuẩn ñộ thí nghiệm trắng và chuẩn ñộ mẫu.

a : Lượng mẫu lấy ñể phân tích (g)

K : Hệ số chuyển ñổi từ mẫu khô không khí sang mẫu khô tuyệt ñối.

150

0,39 : 3 x10-3 x 100% x 1,3

3 : ðương lượng gam của C

1,3 : Hệ số “bù” cho quá trình oxi hóa chưa hoàn toàn chất hữu cơ trong phương pháp này.

% chất hữu cơ = 2 x C(%)

Trước ñây dùng hệ số 1,72 nhưng hiện nay thấy hệ số 2 là thích hợp hơn (ISRIC, 1986).

Chú thích:

Trước khi chuẩn ñộ lượng K2Cr2O7 còn dư (ở cả 2 phương pháp) cần phải ñể nguội dung dịch oxi hóa, nếu không một phần Fe2+ dùng ñể chuẩn lượng K2Cr2O7 còn dư có thể bị oxi không khí oxi hóa.

Với 10 ml K2Cr2O7 1N chỉ có thể oxi hóa tối ña 25 mg C vì vậy khi áp dụng phương pháp Walkley - Black cần hết sức chú ý lượng mẫu lấy ñi phân tích.

ðối với những ñất hàm lượng mùn < 2,6% có thể lẫy 1 g mẫu ñem ñi phân tích, nếu hàm lượng mùn cao hơn nên lấy 0,2 g ñất còn khi hàm lượng mùn > 13,5% thì lượng mẫu lấy là 0,1 g (Lê ðức - Tạp chí khoa học ñất 10 - 1998).

Nếu dùng chỉ thị ferroin (0,695 g FeSO4.7H2O) và 1,485 g 0 - phenaltrolin amonohidrat (C12H8N2.H2O) trong 100 ml nước thì dùng 4 giọt chỉ thị - khi kết thúc chuẩn ñộ, màu của dung dịch chuyển từ xanh sang ñỏ.

Có thể dùng phương pháp so màu ñể xác ñịnh chất hữu cơ bằng cách ño màu Cr3+ tại bước sóng 625 nm. Dùng saccarozơ (C12H12O11) làm dung dịch chuẩn ñể khử Cr6+ trong K2Cr2O11 làm dung dịch chuẩn ñể khử Cr6+ trong K2Cr2O7 thành Cr3+.

9.1.4. ðộ chua và cách xác ñịnh ñộ chua của ñất

ðộ chua là yếu tố ñộ phì quan trọng của ñất, nó ảnh hưởng ñến các quá trình lí hóa và sinh học trong ñất và có tác ñộng ñến cây trồng. ða số cây trồng thích ứng ở ñất trung tính (pH từ 6 ñến 7); một số có thể chịu ñất chua như chè (pH từ 4,5 ñến 5,5), khoai tây (pH từ 4,8 ñến 5,4).

ðất chua là do có mặt các ion H+ và Al3+ trong dung dịch ñất cũng như trong các phức hệ hấp thụ của ñất có khả năng trao ñổi gây nên.

Khả năng tạo thành H+ và Al3+ càng lớn thì ñất càng chua và ngược lại ñộ chua của ñất phụ thuộc vào các phương pháp xác ñịnh, trong ñó chất chiết rút có ý nghĩa lớn trong trao ñổi các ion H+ và Al3+.

Trên cùng một loại ñất, sử dụng chất chiết rút NaOH 0,01N (pH = 12) sẽ có ñộ chua lớn (19 mgñl/ 100g ñất) trong khi với NaCH3COO 1N (pH = 8,2) thì ñộ chua thấp hơn (6,0 mgñl/ 100g ñất); và thấp nhất là khi tác ñộng với ñất bằng NaCl 1N (pH = 6,0), ñộ chua xác ñịnh ñược là 0,2 mgñl/ 100g ñất. Nguyên nhân là do anion OH- có khả năng liên kết mạnh với H+ (hằng số phân li của H2O là 10 - 14) trong khi liên kết của CH3COO- với H+ là nhỏ hơn (hằng số phân li của CH3COOH là 1,8.10-

5), còn Cl- hầu như không liên kết với H+.

ðộ chua của ñất thông thường ñược chia làm 2 loại:

- ðộ chua hiện tại (ñộ chua hoạt tính): là ñộ chua gây nên do các ion H+ tự do trong dung dịch ñất và ñược xác ñịnh khi tác ñộng ñất với nước cất và biểu thị bằng pHH2O.

- ðộ chua tiềm tàng: ñược xác ñịnh khi chiết rút ñất bằng dung dịch muối. Dựa vào chất chiết rút, ñộ chua tiềm tàng lại ñược chia thành ñộ chua trao ñổi và ñộ chua thủy phân:

151

ðộ chua trao ñổi: sử dụng chất chiết rút ñất là các dung dịch muối trung tính như KCl, NaCl, BaCl2. Các cation của các muối này ñẩy H+ và một phần Al3+ ra khỏi phức hệ hấp phụ, Al3+ bị thủy phân tạo thành ñộ chua của ñất. ðộ chua trao ñổi là 1 chỉ số ñể xác ñịnh nhu cầu bón vôi cho ñất.

ðộ chua thủy phân: ðộ chua của ñất ñược xác ñịnh khi sử dụng chất chiết rút là một muối thủy phân (gồm gốc axit yếu và bazơ mạnh, như CH3COONa). Thông thường ñộ chua thủy phân có trị số lớn hơn ñộ chua trao ñổi. Vì lúc này gần như toàn bộ H+ và Al3+ trao ñổi ñã ñược trao ñổi ra ngoài dung dịch ñất.

ðộ chua thủy phân cũng thường ñược sử dụng ñể tính lượng vôi bón cải tạo ñất chua. Theo nghiên cứu của Viện Khoa học Kĩ thuật Nông nghiệp thì ñất lúa Việt Nam chỉ nên trung hòa 1/2 ñộ chua thủy phân là tốt nhất.

a. Xác ñịnh pH bằng phương pháp cực chọn lọc hyñro:

Hiện nay phương pháp ño pH trực tiếp trên máy (pH meter) ñã ñược dùng phổ biến. Chúng vừa nhanh, chính xác và phạm vi pH xác ñịnh ñược rộng (pH : 1 - 9).

Nguyên lí: Ion H+ ñược chiết rút ra bằng chất chiết rút thích hợp (nước cất hoặc muối trung tính), dùng 1 ñiện cực chỉ thị (ñiện cực chọn lọc hyñro) và 1 ñiện cực so sánh ñể xác ñịnh hiệu thế của dung dịch. Từ ñó tính ñược pH của dung dịch.

Trong các loại pH meter, ñiện cực chỉ thị thường dùng là ñiện cực thủy tinh, ñiện cực so sánh là ñiện cực calomen.

Trình tự phân tích:

Lắc 10 gam ñất (ñã qua rây 1 mm) 15 phút trên máy lắc (hoặc lắc tay 30 phút) với 25 ml KCl 1N (với pHKCl) hoặc nước cất (pHH2O). Sau ñó ñể yên 2 giờ (không quá 3 giờ), lắc 2 - 3 lần rồi ño pH ngay trong dung dịch huyền phù.

Hiệu chỉnh máy ño pH: Máy trước khi ño phải hiệu chỉnh bằng cách ño dung dịch ñệm pH tiêu chuẩn. Chỉnh cho kim chỉ ñúng trị số pH của dung dịch ñệm.

ðo mẫu: Giữ cho ñiện cực cách mặt mẫu ñất là 1 cm và ngập nước khoảng 2 cm. Khi máy ñã ổn ñịnh, ñọc giá trị pH trên máy.

Ghi chú: ðiện cực thủy tinh ñược ngâm trong nước cất khi không dùng. Tỉ lệ ñất và dịch chiết có khác nhau phụ thuộc phương pháp. Vì vậy trong kết quả phân tích cần ghi rõ tỉ lệ ñất: dịch chiết rút và chất chiết rút. Ví dụ: “pH trong KCl 1N - 1:5 W/V”. Nghĩa là pH khi chiết rút bằng KCl 1N với tỉ lệ ñất dung dịch chiết rút là 1:5 (khối lượng/ thể tích). Nếu không ghi chú gì thì thường ñược hiểu là pHH2O theo tỉ lệ ñất nước là 2:5.

Pha dung dịch ñệm tiêu chuẩn:

Dung dịch KHC8H4O4 0,05 M: 10,21 g KHC8H4O4 pha thành 1000 ml.

Hỗn hợp KH2PO4 + NaHPO4 0,025M: 3,10 g KH2PO4 pha thành 1000 ml; 3,55 g Na2HPO4 pha thành 1000 ml.

Trộn lẫn 2 dung dịch này thành 2 lít hỗn hợp. Thời hạn sử dụng không quá 2 tháng.

Dung dịch Na2B4O7 0,01M: 3,81 g Na2B4O8.10H2O pha thành 100 ml

Dung dịch KHC4H4O6 bão hòa: 6 g KHC4H4O6 trong 1 lít nước cất.

Các dung dịch trên pha xong ñựng trong bình polyetilen, thời hạn dùng không quá 3 tháng.

Trị số pH của các dung dịch ñệm trên như sau:

Nhiệt ñộ oC KHC8H4O6 KHC8H4O4 KH2PO4. Na2B4O7

152

bão hòa 0,05M NaHPO4

0,025M

0,01M

15

20

25

30

35

3,56

3,55

4,00

4,00

4,00

4,01

4,02

6,90

6,88

6,86

6,85

6,84

9,27

9,22

9,18

9,14

9,10

Dựa vào ñộ chua trao ñổi (pHKCl), ñộ chua của ñất ñược chia ra như sau:

pH 4,5 5,0 5,5 6,0

Xếp loại rất chua chua vừa chua nhẹ gần trung tính trung tính b. Xác ñịnh ñộ chua trao ñổi theo phương pháp Daicuhara:

Nguyên lí: Sử dụng chất chiết rút KCl, ion K+ sẽ ñẩy H+ và Al3+ trao ñổi ra khỏi hệ phức hấp thụ (keo ñất):

Kð + 4K+ → [KD] 4K+ + H+ + Al3+

Al3+ + 3HOH → Al(OH)3 + 3H+

Dùng NaOH tiêu chuẩn chuẩn H+ tạo thành với chỉ thị màu phenolphtalein.

Nước chiết này có thể kết hợp ño pHKCl xác ñịnh nhóm di ñộng (Al - trao ñổi) và Ca, Mg trao ñổi.

Trình tự phân tích:

Cân 40 g ñất (ñã qua rây 1 mm) lắc 1 giờ với 100 ml dung dịch KCl 1N (hoặc lắc vài phút rồi ñể yên một ngày), sau ñó tiến hành lọc.

Lấy 50 ml dịch lọc + 3 giọt phenolphatalein rồi chuẩn bằng NaOH 0,02N tiêu chuẩn ñến xuất hiện màu hồng không biến mất trong vòng 1 phút.

Tính kết quả:

Htñ (mgñl/ 100g ñất) = . 100

Htñ : ðộ chua trao ñổi

V : Số ml NaOH chuẩn ñộ mẫu

N : Nồng ñộ ñương lượng của NaOH (0,02N)

W : Lượng ñất ñem phân tích (40 g)

K : Hệ số pha loãng (100/50 = 2)

Rút gọn có:

Htñ (mgñl/100 g ñất) = V . 0,1

Hóa chất:

V.N.K

W

H+ Al3+

153

NaOH 0,02N: Lấy 200 ml NaOH 0,1N pha thành 1000 ml trong bình ñịnh mức. Dùng axit chuẩn (H2SO4 0.02N) kiểm tra lại nồng ñộ.

Phenolphtalein 0,1 g phenolphtalein hòa tan trong 60 ml rượu etylic rồi pha thành 100 ml bằng nước cất.

KCl 1N: 75 g KCl pha thành 1 lít.

Ghi chú: ðộ chua trao ñổi xác ñịnh bằng chuẩn ñộ chỉ áp dụng ở ñất chua. Khi ñất có pHKCl > 7,5 sẽ không xác ñịnh ñược vì phenolphtalein tạo thành màu hồng ngay trong dung dịch mẫu.

c. Xác ñịnh H+ và Al3+ trao ñổi theo phương pháp Xôcôlôp (1939):

Nguyên lí: Khi tác ñộng với ñất bằng dung dịch muối trung tính (KCl chẳng hạn) thì ñồng thời cả H+ và Al3+ trao ñổi ñều ñược ñẩy ra khỏi tầng hấp thụ trao ñổi của keo ñất:

Kð + 4KCl → [KD] 4K+ + H+ + Cl- + AlCl3

Khi ñó AlCl3 lại bị thủy phân tạo thành H+:

AlCl3 + 3HOH → Al(OH)3 + 3HCl

Từ 1 ion Al3+ thủy phân sẽ tạo thành 3 ion H+. Như vậy thực chất khi chuẩn ñộ xác ñịnh ñộ chua trao ñổi ñã bao gồm cả H+ trao ñổi, H+ tự do trong dung dịch ñất, H+ ñược tạo thành do Al3+ trao ñổi ñược xác ñịnh theo công thức:

Al3+ trao ñổi = ðộ chua trao ñổi - H+ trao ñổi.

Xôlôcôp sử dụng NaF ñể liên kết với Al3+, do ñó sẽ xác ñịnh ñược riêng H+ trao ñổi: Al3+ + 6F- → AlF6

3-

Lúc này trong dung dịch chỉ còn H+ tự do, dùng phương pháp chuẩn ñộ ñể xác ñịnh chúng. Thông thường Al3+ di ñộng tồn tại ở ñiều kiện pHKCl < 5,5.

Do vậy Al3+ chỉ có ý nghĩa lớn ở các ñất chua, và ñược xác ñịnh cùng với khi xác ñịnh ñộ chua trao ñổi.

Trình tự phân tích:

Cân 100 g ñất lắc với 250 ml KCl 1N trong 1 giờ rồi lọc.

Xác ñịnh ñộ chua trao ñổi: Lấy 50 ml dịch lọc vào bình tam giác 250 ml, ñun sôi 5 phút, cho vào 2 giọt phenolphtalein, ñể nguội rồi chuẩn với NaOH 0,02N tiêu chuẩn ñến màu hồng bền vững (trong 1 phút).

Xác ñịnh H+ trao ñổi (gồm H+ trao ñổi và H+ có sẵn trong dung dịch ñất).

Lấy 50 ml dịch lọc trên vào bình tam giác 250 ml, ñun sôi 5 phút, cho vào 5 ml NaF 3,5%, ñể nguội, cho vào 2 giọt chỉ thị phenolphtalein, dùng NaOH 0,02N (dung dịch tiêu chuẩn) chuẩn ñến màu hồng.

Tính kết quả:

ðộ chua trao ñổi (mgñl/100 g ñất) = . 100 = V1 . 0,1

H+ trao ñổi (mgñl/100 g ñất) = . 100 = V2 . 0,1

H+ Al3+

V1.N.K

W

V2.N.K

W

154

Al3+ trao ñổi (mgñl/100 g ñất) = .100 = (V1 - V2).0,1

W

Hay Al3+ trao ñổi = ðộ chua trao ñổi - H+ trao ñổi

V1 : Số ml NaOH chuẩn ñộ mẫu không có NaF

V2 : Số ml NaOH chuẩn ñộ mẫu có NaF

N : Nồng ñộ ñương lượng của NaOH (0,02N)

W : Lượng ñất cân (100 g)

K : Hệ số pha loãng (250/50 = 5)

Al3+ thường ñược biểu thị bằng mg/100g ñất. Lấy kết quả mgñl/100g ñất x 9 hoặc:

(V1 - V2).N.K.9

Al3+ (mg/100 g ñất) = . 100

W

Hóa chất:

NaOH 0,02N tiêu chuẩn

KCl 1N: 75 g KCl pha thành 1 lít

Phenolphtalein 0,1%: 0,1 g phenolphtalein pha trong rượu elylic 100 ml.

NaF 3,5%: 3,5 g NaF pha trong nước cất 100 ml. NaF pha xong phải chỉnh pH ñến trung tính.

Ghi chú:

Khi cho ñều lượng NaF như nhau vào mẫu, có thể làm ñối chứng ñể khử H+ tự do trong dung dịch NaF.

Thực tế lượng NaF cho vào có thể không cố ñịnh, phụ thuộc vào lượng Al3+. Lượng 5 ml NaF chỉ ñủ tác dụng với 1,80 mgñl Al3+ là tốt nhất. Khi Al3+ lớn hơn 6,3 mgñl/100g ñất thì sẽ không ñủ. Có thể tính lượng NaF 3,5% cần thiết:

VNaOH. NNaOH.2

NaF 3,5 %(ml) =

0,85 d. Xác ñịnh ñộ chua thủy phân theo phương pháp Kappen:

Nguyên lí: Dùng 1 muối kiềm mạnh axit yếu (thường là CH3COONa) ñể trao ñổi H+ và Al3+ từ keo ñất:

Kð + 4 CH3COONa → [Kð] 4Na+ + CH3COOH + (CH3COO)3Al

Ngoài tác dụng trao ñổi của Na+, ion CH3COO- có khả năng liên kết với H+ và Al3+ làm tăng cường quá trình trao ñổi. Do vậy kết quả trao ñổi sẽ triệt ñể hơn dùng muối trung tính (ở ñộ chua trao ñổi). Quá trình thủy phân của (CH3COO)3Al làm tăng H+ trong dung dịch:

H+ Al3+

(V1 - V2).N.K

155

(CH3COO)3Al + HOH → CH3COOH + Al(OH)3

Chuẩn ñộ trực tiếp lượng H+ tạo thành bằngdung dịch CH3COONa 1N (pH=8,2) trong 1 giờ rồi lọc.

Lấy 50 ml dịch lọc + 2 giọt phenolphtalein rồi chuẩn bằng NaOH 0,02N tới màu hồng (bền trong 1 phút).

Tính kết quả:

V.N.1,75.K

Htf (mgñl/100 g ñất) = .100

W

V : Thể tích (ml) NaOH chuẩn ñộ

N : Nồng ñộ ñương lượng NaOH (0,02N)

K : Hệ số pha loãng (100/50 = 2)

W : Khối lượng ñất (40g)

1,75 : Dùng CH3COONa trao ñổi 1 lần không triệt ñể. Muốn trao ñổi hoàn toàn H+, Al3+ cần lập lại nhiều lần, như vậy mất thời gian và phức tạp. Qua thực nghiệm ñã cho thấy nhân với hệ số 1,75 là thích hợp (hệ số thực nghiệm).

Htf : ðộ chua thủy phân (mgñl/100 g ñất)

Rút gọn: Htf (mgñl/100 g ñất) = V.0,175

Hóa chất:

CH3COONa 1N (pH = 8,2): 136,1 g CH3COONa.3H2O hòa bằng nước cất ñến 1 lít. ðiều chỉnh cho pH = 8,2 (vừa làm ñổi màu chỉ thị phenolphtalein).

Hóa chất khác: xem xác ñịnh ñộ chua trao ñổi ở trên.

- Ghi chú: ðộ chua thủy phân thường ñược sử dụng ñể tính ñộ no bazơ của ñất và tính lượng vôi bón (theo nghiên cứu của Viện Khoa học Kĩ thuật Nông nghiệp với ñất lúa ở nước ta chỉ cần trung hòa 1/2 ñộ chua thủy phân). Nếu lấy ñộ sâu cần trung hòa 1/2 ñộ chua thủy phân sẽ là:

CaO (tấn/ha) = 0,42 . Htf

Trong ñó: Htf tính theo mgñl/100 g ñất

9.1.5. Xác ñịnh dung tích trao ñổi cation của ñất

Dung tích trao ñổi cation của ñất hay khả năng trao ñổi cation (CEC - cation exchange capacity) là lượng ion lớn nhất ñược ñất hấp phụ có khả năng trao ñổi và ñược biểu thị bằng mgñl/100g ñất. ðây chính là quá trình hấp phụ lí hóa học ñược thực hiện nhờ keo ñất. Cần phân biệt quá trình trao ñổi cation (do keo âm ñảm nhận) với trao ñổi anion (do keo dương ñảm nhận). Dưới ñây chỉ ñề cập ñến việc xác ñịnh dung tích trao ñổi cation.

Xác ñịnh dung tích trao ñổi cation theo phương pháp amoniaxetat (phương pháp Schachtschabe).

Nguyên lí: Dùng CH3COONH4 1N làm bão hòa dung tích hấp phụ trao ñổi cation của ñất. Phản ứng trao ñổi như sau:

Kð + nCH3COONH4 Kð 6NH4+ + (n-6)CH3COO- + Ca2+ + Mg2+ + K+ + H+

Ca2+

Mg2+

K+ H+

156

Sau ñó cation NH4+ ñã hấp phụ ñược trao ñổi ra bằng cation K+ (KCl 0,1N):

Kð] 6NH4+ + nKCl → Kð] 6K+ + 6NH4

+ + (n-6)KCl

Lượng NH4+ trao ñổi này ñược xác ñịnh bằng chuẩn ñộ bằng NaOH 0,1N với sự có mặt của

focmalin (HCHO):

4NH4+ + 6HCHO = (CH2)6N4 + 6H2O + 4H+

(hecxametilentetraamin)

Với 4NH4+ sẽ giải phóng 4H+. Do vậy dựa vào lượng NaOH tiêu tốn mà tính ñược lượng NH4

+ hay lượng cation trao ñổi.

Trình tự phân tích:

Cân 10 gam ñất (qua rây 1 mm) cho vào phễu Mehlich ñẫ chuản bị sẵn.

Dùng 100 ml CH3COONH4 1N (pH = 7) chia 10 lần (10 ml x 10 lần) ñể bão hòa ñất bằng NH4+.

Rửa ñất 3 lần bằng rượu etylic (15 ml x 3 lần). Dịch trao ñổi ñể xác ñịnh thành phần cation trao ñổi (Ca2+, Mg2+, Al3+, K+,...) nếu cần thiết.

Chuyển toàn bộ phễu và ñất sang bình ñịnh mức 250 ml, rồi dùng 250 ml KCl 0,1N trao ñổi (25 ml x 10 lần) lên thể tích ñến 250 ml. Lấy 25 ml dịch trao ñổi này + 10 ml focmalịn 20% + 5 giọt phenolphtalein, rồi chuẩn bằng NaOH 0,05N tiêu chuẩn ñến màu hồng nhạt (bền trong 1 phút).

Tính kết quả:

V.N.K

CEC = . 100

W

CEC : dung tích trao ñổi cation (mgñl/100 g ñất)

V : Thể tích NaOH chuẩn ñộ (ml)

N : Nồng ñộ NaOH chuẩn ñộ (0,05N)

W : Lượng ñất cân (10 g)

K : Hệ số pha loãng (250/25 = 10)

Rút gọn: CEC (mgñl/100 g ñất) = V . 5

Hóa chất:

CH3COONH4 1N: 77 g CH3COONH4 pha thành 1 lít bằng nước cất (dùng NH4OH hoặc CH3COOH ñiều chỉnh cho pH = 7).

KCl 0,1N: 7,5 g KCl pha thành 1 lít.

Focmalin 20%: pha từ focmanlin thông dụng (khoảng 38%). Sau ñó trung hòa bằng NaOH 0,05 N với chỉ thị phenolphtalein.

Phenolphtalein 0,1% (pha trong cồn, rượu).

NaOH 0,05N tiêu chuẩn.

Ghi chú:

Phương pháp dùng CH3COONH4 ñược dùng phổ biến nhưng phù hợp nhất với ñất trung tính và không cacbonat. Nó cũng ñược sử dụng ở các ñất chua nhẹ.

157

NH4+ có thể bị giữ chặt bởi các khoảng sét 1:1 (kaolinit) và mùn nên khó thu lại ñược. Do vậy ở

ñất nhiều sét, kết quả có thể thấp hơn thực tế.

Lượng ñất cân có thể thay ñổi phụ thuộc ñất. Thông thường ở ñất thành phần cơ giới nặng có thể cân 5 g ñất + 5 g cát sạch (ñã ñược xử lí bằng H2SO4 ñặc) ñể tăng cường tốc ñộ trao ñổi.

Có thể làm chuẩn ñộ trắng với focmalin (ñối chứng) ñể loại trừ H+ chưa ñược trung hòa. Kết quả xác ñịnh mẫu phải trừ ñi lượng chuẩn ñộ này (nếu có).

9.2. Xác ñịnh một số kim loại nặng trong ñất

Trong dinh dưỡng của thực vật và vi sinh vật, ngoài các nguyên tố nitơ, photpho và kali, các kim loại nặng như bo, mangan, ñồng, kẽm, coban, molipñen... có ý nghĩa lớn. Một lượng nhỏ của các nguyên tố này cần thiết cho nhiều quá trình sinh học xảy ra trong các cơ thể thực vật và ñộng vật. Nguồn cung cấp chủ yếu các kim loại nặng trong ñất là các ñá tạo thành ñất. Trong quá trình tạo thành ñất và hoạt ñộng sống của thực vật và ñộng vật xảy ra quá trình phân bố lại các kim loại nặng theo phẫu diện ñất.

Hàm lượng các kim loại nặng trong các loại ñất không vượt quá 10-4%, trừ mangan hàm lượng của nó trong một số trường hợp, ví dụ như trong các thành tạo mới của mangan - sắt ñôi khi ñược tính ñến phần trăm.

Tuy nhiên mangan vẫn ñược xếp vào các kim loại nặng khi tính ñến hàm lượng thấp của nó trong các cơ thể sống và vai trò sinh hóa to lớn của nó trong ñời sống ñộng, thực vật.

Khi nghiên cứu hàm các kim loại nặng trong ñất người ta thường xác ñịnh hàm lượng tổng số và hàm lượng có thể sử dụng ñược ñối với dinh dưỡng của thực vật như thường ñược gọi là dạng di ñộng của các kim loại nặng.

- Chọn phương pháp xác ñịnh, chuẩn bị ñất và các thuốc thử:

Khi tiến hành nghiên cứu hàm lượng các dạng khác nhau của các kim loại nặng cần lựa chọn các phương pháp xác ñịnh chúng, phương pháp phải ñảm bảo ñược ñộ chính xác, ñộ nhạy và ñộ chọn lọc.

Chỉ có thể xác ñịnh một lượng nhỏ các chất bằng các phương pháp có ñộ nhạy cao. Tuy nhiên các phương pháp có ñộ nhạy cao thường có ñộ chính xác thấp, ví dụ như phương pháp khối lượng có sai số tương ñối tính theo phần trăm ≤ 0,01%, phương pháp trắc quang là 2 - 3%, phương pháp cực phổ dòng khuếch tán là 5 - 10%.

Mẫu ñất ñược nghiền trong cối mã não và rây qua rây làm bằng sợi capron và khung rây làm từ các vật liệu hữu cơ .

Nước dùng cho phân tích là nước cất ñược cất lại hay cho ñi qua nhựa trao ñổi ion, thường sử dụng nước cất hai lần.

Các axit và amoniac cũng ñược tinh chế bằng cách cất hay sử dụng thuốc thử loại ñặc biệt tinh khiết. Các thuốc thử khác ñược tinh chế theo mô tả trong phương pháp xác ñịnh của từng nguyên tố. Các thuốc thử thường bị bẩn nguyên tố kẽm vì thế khi xác ñịnh nguyên tố này cần phải tiến hành thí nghiệm kiểm tra sự có mặt của nó trong các thuốc thử sử dụng.

Thành phần của thủy tinh ñể chế tạo các dụng cụ thí nghiệm cũng cần phải ñược lưu tâm, ñặc biệt khi xác ñịnh bo.

158

Những hóa chất dùng ñể pha dung dịch chuẩn nên kết tinh lại. Thường hay pha hai loại dung dịch chuẩn: dung dịch chuẩn gốc và dung dịch chuẩn sử dụng. Dung dịch chuẩn gốc thường ñược pha với hàm lượng 0,1 mg nguyên tố trong 1 ml; cân những lượng cân với hàm lượng nguyên tố như vậy cho phép chúng ta có thể tránh ñược sai số. Dung dịch chuẩn sử dụng ñược chuẩn bị bằng cách pha loãng dung dịch chuẩn gốc. Khi pha loãng 10 lần ta ñược dung dịch chứa 0,01 mg hay 10 µg/ml. Khi pha loãng 100 lần nhận ñược dung dịch có hàm lượng 0,001 mg hay 1 µg/ml. Vì những dung dịch quá loãng không bền nên người ta chỉ chuẩn bị các dung dịch này trong ngày tiến hành phân tích và chỉ giữ trong ngày ñó.

- Tính kết quả xác ñịnh các kim loại nặng:

Kết quả xác ñịnh các kim loại nặng trong ñất ñược biểu thị bằng mg trong 1 kg ñất (mg/kg) hoặc biểu thị bằng ppm (parts per milion) nghĩa là một phần một triệu tương ứng với 10-4%.

9.2.1. Phương pháp phân hủy mẫu truyền thống

a. Chuẩn bị mẫu:

- Làm khô các mẫu ñất: Những mẫu ñất tươi cần phải ñưa về trạng thái khô không khí. Làm khô mẫu nên tiến hành ở chỗ sạch, thoáng, trường hợp ñặc biệt có thể dùng tủ sấy, khống chế nhiệt ñộ từ 30 - 400C. Dàn mẫu ñất (trọng lượng 800 - 1000g) thành lớp mỏng trên giấy thuộc hoặc giấy bóng mờ, nhặt hết rễ cây, ñá, sỏi...có lẫn trong mẫu. ðập nhỏ mẫu ñất ñể mẫu có kích thước 5 - 10 mm. Có thể dùng máy hay cối sứ không có các kim loại nặng ñể ñập nhỏ mẫu trước khi lấy mẫu trung bình.

Việc chọn, nghiền và rây mẫu ñất ñược tiến hành trong phòng riêng có thiết bị thông gió và hút bụi tốt.

- Lấy mẫu trung bình: Từ mẫu ban ñầu lấy ra khoảng 200 g, dùng thiết bị ñể trộn ñều mẫu. Nếu không có thiết bị này có thể dùng phép chia tư ñể lấy mẫu (Hình 9.6). Mẫu ñất ñược trộn rồi rải ñều trên giấy sạch thành một lớp mỏng có dạng hình vuông. Chia hình vuông theo hai ñường chéo thành 4 phần bằng nhau. Lấy hai phần ñối diện (phần 1 và 3 hoặc 2 và 4) gộp lại với nhau, hai phần còn lại có thể bỏ ñi hoặc dùng vào việc khác.

Hình 9.6. Phương pháp chia tư ñể lấy mẫu

Sau khi chọn xong, mẫu ñược nghiền nhỏ tròng cối mã não, rây qua rây có ñường kính 1 mm. Nên dùng loại rây làm bằng sợi capron và khung làm bằng các vật liệu hữu cơ. Mẫu ñất sau khi rây ñược dùng ñể xác ñịnh các kim loại nặng.

b. Phân hủy ñất khi xác ñịnh hàm lượng tổng số các kim loại nặng:

Trong ñất, các kim loại nặng chủ yếu tham gia trong thành phần các khoáng nguyên sinh, thứ sinh và trong các hợp chất vô cơ, hữu cơ khác nhau. ðể xác ñịnh hàm lượng tổng số các kim loại nặng trong ñất cần phải thiêu hủy các chất hữu cơ và phân hủy phần khoáng của ñất ñể nhận ñược những muối dễ hòa tan.

Muốn phân hủy ñất người ta thường sử dụng 2 phương pháp: phương pháp nung chảy ñất với hỗn hợp cacbonat của các kim loại kiềm và phương pháp phân hủy bằng các axit vô cơ ñặc.

159

Quá trình nung chảy với hỗn hợp cacbonat của các kim loại kiềm ñược tiến hành trong các chén platin có nắp ở nhiệt ñộ 10000C. Sau khi nung chảy, người ta nhận ñược muối kiềm của axit silicic và các hợp chất dễ hòa tan khác. Chuyển hỗn hợp chảy sang dạng dung dịch, dùng axit clohyñric ñể tách axit silicic, rồi tiến hành xác ñịnh các kim loại nặng trong dung dịch. Khi xử lí hỗn hợp bằng axit clohyñric (HCl d = 1,19) sẽ tạo nên một lượng tương ñối lớn kết tủa hạt nhỏ SiO2, kết tủa này có thể giữ một lượng ñáng kể các kim loại nặng và như vậy kết quả phân tích sẽ giảm xuống. Axit clohyñric dùng ñể xử lí hỗn hợp có thể chứa các kim loại nặng dưới dạng tạp chất và cũng có thể hòa tan một lượng platin ở chén ñựng mẫu, nguyên tố này sẽ cản trở việc xác ñịnh các kim loại nặng (ví dụ molipñen, vanañi...).

Phương pháp phân hủy mẫu bằng hỗn hợp axit HF và H2SO4 là phương pháp ñược sử dụng nhiều nhất khi xác hàm lượng tổng số các kim loại nặng. Phương pháp này ñảm bảo phân hủy hoàn toàn mẫu ñất và tách axit silicic dưới dạng SiF4. Tuy nhiên trong trường hợp này có một vài phần khoáng (hay một phần trong ñó) như topaz, anñaluzit zirkon, sillimanit sẽ không bị phá hủy vì vậy ñất chứa nhiều các loại khoáng này không nên phá hủy mẫu bằng HF.

Việc lựa chọn các phương pháp phân hủy mẫu ñất tuỳ thuộc vào những kim loại nặng cần xác ñịnh ở trong mẫu. Vì HF (loại tinh khiết ñể phân tích) có chứa hỗn hợp các kim loại nặng, cho nên khi xác ñịnh các kim loại nặng như kẽm, coban cần phải cất HF trong các dụng cụ cất ñặc biệt chế tạo từ palañi hay platin. Axit clohyñric loại ñặc biệt tinh khiết không cần phải tinh chế.

Khi sử dụng HF phải hết sức cẩn thận, cần ñeo găng tay cao su và chỉ làm ở nơi có thiết bị thông gió tốt.

Khi xác ñịnh kẽm, ñồng, coban trong ñất phải dùng axit flohyñric ñã cất lại 3 lần ñể phân hủy mẫu ñất và sau ñó ñể hòa tan kết tủa, axit clohyñric phải dùng loại ñã cất 2 lần.

ðối với các nhóm kim loại nặng khác (molipñen, vanaddi, mangan...) không nhất thiết phải như vậy. Khi xác ñịnh các nguyên tố này chỉ cần axit flohyñric loại tinh khiết hóa học (không cần cất lại) và axit clo hyñric ñã cất lại một lần. Nhưng theo quá trình phân tích nhóm các nguyên tố này ñòi hỏi phải chưng phần còn lại 2 ñến 3 lần với nước sau khi phân hủy mẫu (ñể tách flo triệt ñể hơn), nung phần còn lại 1 - 2 phút trên ñèn khí hay trong lò nung và tiếp theo cần xử lí nước lọc ñã cô cạn bằng axit pecloric (HClO4) ñể tách crôm. Khi phân hủy mẫu bằng hỗn hợp HF và H2SO4 cần chú ý ñến lượng mẫu lấy ñể phân hủy; không nên lấy lượng mẫu lớn hơn 3 g vì khi lượng mẫu là 5 - 6 g thì khó có thể phân hủy hoàn toàn phần khoáng của ñất và khó tách SiO2.

Dưới ñây là một vài cách phân hủy mẫu bằng hỗn hợp HF và H2SO4 ñối với 2 nhóm kim loại nặng ñã nêu ở phần trên.

+ Khi xác ñịnh ñồng, kẽm, coban trong ñất, tiến hành phân hủy theo phương pháp sau:

Cân mẫu ñất xác ñịnh hàm lượng tổng số các kim loại nặng trên cân phân tích. ðối với ñất sét và ñất sét pha lấy 1,5 g mẫu, còn với ñất cát và cát pha lấy 2 - 3 g mẫu. Sau khi cân mẫu xong, cho mẫu vào chén platin và nung nóng trong lò nung ở nhiệt ñộ 500 - 5500C trong 3 giờ ñể phân hủy chất hữu cơ. Tránh nung ở nhiệt ñộ cao hơn vì có khả năng làm mất các kim loại nặng. Sau khi nung mẫu xong ñể nguội, cho vào chén 1 - 2 ml nước cất 2 lần, 1 ml H2SO4 (d = 1,84) và 20 ml axit flohyñric, ñặt chén lên bếp ñiện kín và ñun ñến khi xuất hiện khí SO2 màu trắng. Không nên ñun quá mạnh (không vượt quá 200 - 2500C) ñể tránh làm bắn các chất trong chén ra ngoài.

Sau khi xuất hiện khí SO2, lấy chén ra khỏi bếp ñiện, ñể nguội và thêm vào khoảng 10 - 15 ml HF rồi lại tiếp tục ñun trên bếp cho ñến khi khô hoàn toàn. Chuyển chén sang bếp ñiện có khả năng ñun

160

nóng hơn, tiếp tục ñun ñến khi hết khí SO3 bay ra. Nhấc chén ra khỏi bếp ñiện, ñể nguội rồi cho vào chén 10 ml HCl 22% (loại ñặc biệt tinh khiết) và 10 ml nước cất 2 lần ñể hòa tan phần khô còn lại. Tiếp tục ñặt lên bếp và ñun nóng nhẹ khoảng 30 - 40 phút.

Khi phần còn lại ñã tan hết, ñem lọc dung dịch qua giấy lọc băng trắng (ñường kính 9 cm) ñã ñược rửa trước bằng HCl 10% ñể loại hết vết các kim loại nặng. Sau khi lọc xong, rửa giấy lọc bằng nước cất 2 lần nóng ñã ñược axit hóa bằng HCl ñến khi hết vết sắt. Gộp hai phần nước lọc và nước rửa lại với nhau (khoảng 100 ml) rồi chưng cất dung dịch ñến thể tích khoảng 50 ml. Dung dịch này dùng ñể xác ñịnh các kim loại nặng (kẽm, coban, ñồng) theo các phương pháp khác nhau.

+ Khi xác ñịnh molipñen, vanaddi, mangan từ một mẫu ñất, dùng phương pháp phá mẫu sau:

Cân 2,5 - 3 g ñất ñã ñược nghiền nhỏ ñến dạng bột cho vào chén platin, ñặt chén vào lò nung rồi ñốt nóng ñến nhiệt ñộ 500 - 5500C và giữ ở nhiệt ñộ này ít nhất 3 giờ ñể phân hủy chất hữu cơ. ðể nguội, cho vào chén 2 ml nước cất 2 lần, 2 ml H2SO4 ñặc, 20 ml HF 30 - 40%. ðặt chén lên bếp ñiện và ñậy nắp kín, ñun ñến khi xuât hiện khí SO3 thì thêm vào 0,5 ml H2SO4 và 10 ml HF, lại chưng mẫu ñến khô. ðể tách flo và phần axit còn lại trong chén, ta chưng phần khô trong chén 2 lần, mỗi lần với 5 ml nước. ðốt nhẹ phần khô còn lại trên ñèn khí hay trong lò nung ñể tách hoàn toàn axit. Làm lạnh chén, xử lí phần còn lại trong chén bằng 20 ml HCl 22%, ñậy chén lại rồi ñun trên bếp ñiện ñến khi tan hoàn toàn phần còn lại. Thêm vào 10 ml nước cất 2 lần, lọc dung dịch qua giấy lọc và hứng vào bình 250 ml, rửa dung dịch bằng nước nóng ñã ñược axit hóa bằng HCl (98:2) ñến khi hết phản ứng của sắt trong nước lọc với KSCN. Chưng dung dịch lọc ñến khô, cho vào bình 5 ml HCl 22%, 2 ml HClO4 và lại chưng dung dịch ñến khô ñể tách crôm. Thêm vào phần khô 5 ml nước cất 2 lần, lại chưng ñến khô ñể tách hết vết HClO4. Thêm vào phần khô trong bình 2 ml HCl ñể chuyển muối sang dạng clorua, chưng khô dung dịch. Thêm 20 ml HCl 22% và 15 ml và ñun nóng nhẹ ñể hòa tan phần khô. Chuyển dung dịch vào bình ñịnh mức 50 ml. Thêm nước cất ñến vạch mức. Phần dung dịch này ñược dùng ñể xác ñịnh molipñen, vanañi, mangan.

9.2.2. Phương pháp phân hủy mẫu bằng kỹ thuật vi sóng (microwave) a. Giới thiệu về kỹ thuật vi sóng:

Vi sóng (microwave) là sóng cực ngắn hay còn gọi là sóng vi ba có bước sóng từ 1 mm ñến 1 m. Năng lượng của vi sóng là năng lượng ñiện từ. Trong phân tích người ta thường sử dụng vi sóng với tần số 2,45 MHz.

Các phương pháp ñốt truyền thống thường dựa trên các hiện tượng dẫn nhiệt, ñối lưu và bức xạ. Nhiệt ñược truyền từ bên ngoài vào thông qua sự tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp. Lượng nhiệt này sẽ lan ra toàn bộ vật ñược ñốt nóng nhờ sự chênh lệch nhiệt ñộ tại hai ñiểm khác nhau, sự chênh lệch này tỷ lệ nghịch với ñộ dẫn nhiệt của vật ñược ñốt nóng. Phương pháp này có nhược ñiểm là chậm và không ổn ñịnh.

ðối lưu nhiệt Hỗn hợp axit-mẫu

Nhiệt ñốt nóng từ bên ngoài

Hỗn hợp axit-mẫu (Hấp thụ năng lượng

vi sóng)

161

Hình 9.7. Phá mẫu theo phương pháp truyền thống

Hình 9.8. Phá mẫu theo phương pháp vi sóng

Sự ñốt nóng vi sóng ngược lại với phương pháp ñốt nóng truyền thống. Nhiệt ñược sinh ra ngay tại trung tâm của vật ñược ñốt nóng và lan theo từ hướng trong ra ngoài.

Phương pháp này có ưu ñiểm là:

- Không có quán tính nhiệt (cả khi bắt ñầu và kết thúc).

- ðây là năng lượng sạch, dễ tạo và dễ kiểm soát.

- ðốt nóng nhanh

- Có tác dụng ñặc biệt với các phần tử có liên kết phân cực.

Năng lượng vi sóng ñược phát ra từ một nguồn phát sóng ñiện từ (magnetron). Bản chất của vi sóng là sóng ñiện từ gồm hai yếu tố: yếu tố từ trường và yếu tố ñiện trường. Quá trình chuyển hóa năng lượng ñiện từ thành năng lượng nhiệt bao gồm 2 cơ chế: cơ chế chuyển dẫn ion và cơ chế quay cực phân tử. Nhiệt sinh ra cho sự chuyển dẫn ion như là kết quả của sự tăng trở kháng của môi trường chống lại sự dịch chuyển của các ion trong trường ñiện từ. Còn cơ chế quay cực phân tử là quá trình quay phân tử phân cực theo sự ñổi hướng của ñiện trường. Sự ñốt nóng bằng kỹ thuật vi sóng dựa trên sự hấp thụ trực tiếp năng lượng vi sóng của mẫu, do vậy các hiện tượng như dẫn nhiệt, ñối lưu và bức xạ nhiệt chỉ ñóng vai trò thứ yếu trong quá trình cân bằng nhiệt.

Ưu ñiểm của phương pháp phân hủy mẫu bằng vi sóng trong phân tích kim loại nặng:

- Tiến hành các phản ứng phân hủy mẫu rất nhanh, tiết kiệm thời gian. ðặc biệt có hiệu quả ñối với các mẫu khó phân hủy bằng các phương pháp thông thường.

- Lượng mẫu sử dụng ít, thường từ 0,5 - 5 g.

- Hiệu suất của phản ứng phân hủy rất cao do vậy kết quả phân tích thu ñược chính xác hơn so với các phương pháp khác.

- Tiêu hao hóa chất ít, do vậy chi phí cho quá trình xử lí thấp.

- Thiết bị dễ sử dụng, an toàn và bảo vệ môi trường. b. Phân hủy mẫu bằng vi sóng:

Sơ ñồ cơ bản của một quy trình chuẩn

Nghiền trộn mẫu

PHÂN HỦY MẪU - VÔ CƠ HÓA MẪU

Phân tích bằng các phương pháp phân tích công cụ:

- ICP & ICP-MS - AAS - UV/VIS - Chuẩn ñộ ñiện thế - Sắc kí ion - Cực phổ - ...

Mẫu

162

Các hỗn hợp axit dùng cho phân hủy mẫu:

Các axit thường sử dụng trong quá trình phân hủy mẫu là H2SO4, HNO3, HCl, HF, HClO4, H2O2.

Việc sử dụng hỗn hợp các axit này trong quá trình phân hủy mẫu phụ thuộc vào nguyên tố cần xác ñịnh. Ví dụ như khi xác ñịnh các nguyên tố như Ba, Sr, Pb, Ca, Ag, Hg không nên sử dụng axit sunfuric ñể công phá mẫu vì muối sunfat của các kim loại này ít tan.

Các axit này có nhiệt ñộ sôi khác nhau (H2SO4 98% : 3400C; HCl 20,4% : 1100C; HNO3 65% : 1200C; HF 40% : 1080C; HClO4 72% : 2030C) do ñó tùy theo hỗn hợp axit phá hủy mẫu ta phải sử dụng các bình phá mẫu phù hợp. ðối với các axit có nhiệt ñộ sôi thấp người ta thường sử dụng loại bình nhựa teflon ñể phá mẫu. Còn các axit có nhiệt ñộ ñiểm sôi cao (axit sunfuric) người ta thường phải sử dụng các loại bình làm từ thủy tinh borosilicat hoặc thạch anh (chú ý không sử dụng bình loại này khi có mặt axit flohyñric).

Bảng 9.9. Một số ví dụ so sánh giữa phương pháp phá mẫu vi sóng và phương pháp truyền thống

ðối tượng phân tích Lượng mẫu Vô cơ hóa bằng phương pháp vi sóng

Vô cơ hóa bằng phương pháp cổ ñiển

Mẫu thực phẩm 0,1 - 2 g 15 - 30 phút 2 - 4 giờ

Mẫu bùn thải 0,1 - 2 g 10 - 40 phút 2 - 4 giờ

Mẫu ñịa chất 0,1 - 1 g 10 - 50 phút 4 - 16 giờ

Mẫu dầu 0,5 - 5 g 50 - 75 phút 2 - 8 giờ

Mẫu cao phân tử 5 g 50 - 75 phút 2 - 4 giờ c. Một số hướng dẫn về an toàn khi sử dụng thiết bị phân hủy mẫu bằng vi sóng:

Khi có mặt các chất oxi hóa mạnh (H2O2, HClO4, HNO3..) không ñược sử dụng các chất bôi trơn có gốc dầu và mỡ.

Không trộn trực tiếp các chất oxi hóa mạnh như H2O2, HClO4...với các mẫu dạng nền hữu cơ và vô cơ mà phải xử lí trước bằng axit (sunfuric, sunfonitric, nitric...).

Khi sử dụng các chất oxi hóa mạnh phải lưu ý không ñể mẫu quá khô trong thời gian tiến hành xử lí.

Không ñược sử dụng các axit bốc khói (ñậm ñặc).

ðối với các chất hút ẩm mạnh (như tinh bột) không ñược trộn trực tiếp với các chất oxi hóa, hoặc thậm chí với axit trước khi làm ướt chúng bằng nước.

ðặc biệt chú ý khi sử dụng axit nitric với các chất hữu cơ chứa xenlulo, vì chúng có khả năng tạo ra các hợp chất nitro-xenlulo dễ gây nổ.

9.2.3. Chuẩn bị mẫu thực vật ñể xác ñịnh hàm lượng các kim loại nặng

Mẫu thực vật xác ñịnh hàm lượng các kim loại nặng cần phải ñược phơi, sấy khô hoặc giữ trong tủ ấm ở nhiệt ñộ 30 - 400C. ðối với những cây có củ, thực vật thân mỡ (cây ngô,...) ñược cắt sơ bộ thành những phần nhỏ hơn ñể cho mẫu chóng khô và tiện cho việc nghiền nhỏ mẫu.

163

Sau khi sấy khô, mẫu ñược nghiền nhỏ bằng các loại máy xay, máy nghiền hoặc sử dụng thuyền tán ñể tán nhỏ. Các dụng cụ này phải ñảm bảo không làm nhiễm bẩn các kim loại nặng vào mẫu. Mẫu thực vật sau khi nghiền nhỏ có thể dùng một trong hai phương pháp tro hóa khô và tro hóa ướt ñể phân hủy mẫu.

Phương pháp tro hóa khô:

ðối với phương pháp tro hóa khô, mức ñộ nghiền và "làm chặt" trong chén giữ vai trò quan trọng. Mẫu nghiền quá nhỏ, nằm hoàn toàn dưới ñáy chén sẽ ngăn cản sự xâm nhập của oxi làm chậm quá trình tro hóa mẫu. Vì thế mẫu trong chén phải xốp ñể tăng khả năng xâm nhập của oxi làm cho quá trình phân hủy mẫu diễn ra nhanh hơn.

Lượng mẫu lấy ñể tro hóa tuỳ thuộc vào hàm lượng của kim loại nặng cần xác ñịnh ở trong mẫu. ðể xác ñịnh riêng từng nguyên tố người ta thường lấy lượng mẫu như sau:

ðồng: 0,2 - 0,5 g Kẽm: 0,05 - 0,2 g

Mangan: 1 - 2 g Coban: 5 - 10 g

Molipñen: 1 - 4 g Bo: 0,25 - 1 g

Thực tế người ta thường xác ñịnh ñồng, kẽm, mangan, molipñen trong cùng một mẫu, khi ñó lượng mẫu lấy thường là 5 g. ðể xác ñịnh bo và coban người ta lấy các loại mẫu riêng: coban: 5 - 10 g; bo: 0,25 - 1 g

Tro hóa: Người ta thường tiến hành tro hóa khô trong lò nung ở nhiệt ñộ 450 - 5000C, thời gian tro hóa là 5 - 8 giờ. Trong quá trình tro hóa chất hữu cơ, những hợp chất của các kim loại nặng có nhiệt ñộ nóng chảy khác nhau ñược tạo thành. ðể ttránh mất các kim loại nặng, nhiệt ñộ trong lò nung cần phải khống chế dưới 5000C (Troitxky, 1957).

ðể tro hóa, tốt nhất nên dùng chén làm bằng thạch anh, nếu không có loại này có thể dùng chén sứ hoặc chén thủy tinh chịu nhiệt. Khi dùng chén sứ nếu nung ở nhiệt ñộ quá 5000C có thể dẫn ñến việc nung chảy sản phẩm tro hóa với men của thành chén.

Thành phần mẫu tro hóa có ảnh hưởng lớn ñến quá trình tro hóa. ðối với mẫu thực vật không những thành phần mẫu có ảnh hưởng ñến quá trình tro hóa mà ngay cả nơi thực vật sinh trưởng và phát triển cũng có ảnh hưởng ñến quá trình tro hóa mẫu. Người ta ñã tiến hành thí nghiệm và thấy rằng những cây thuộc họ hòa thảo trồng ở phía nam tro hóa nhanh hơn những cây trồng ở phía bắc (Gribovxcaia - 1968). ðiều ñó cho thấy một sự không ñồng ñều về kiềm và SiO2 trong tế bào thực vật ở những vùng khác nhau. Một lượng lớn SiO2 sẽ ngăn cản quá trình tro hóa hoàn toàn mẫu thực vật. Phần còn lại không hòa tan của axit silicic, tạo thành do kết quả của quá trình tro hóa mẫu thực vật có thể chứa một lượng ñáng kể hỗn hợp các kim loại nặng.

ðể tro hóa ta cân mẫu (mẫu ở trạng thái khô không khí) cho vào chén rồi ñặt vào lò nung. Mẫu thực vật trong chén càng xốp càng tốt, ñiều ñó sẽ làm tăng tốc ñộ của quá trình tro hóa. Trong quá trình nung mẫu, nên khống chế ñể nhiệt ñộ tăng từ từ. Nhiệt ñộ tăng quá nhanh có thể làm mẫu bắn ra ngoài trong quá trình ñốt nóng mẫu.

Sau ñó, trong quá trình tro hóa nên cẩn thận mở cửa lò nung ñể tăng thêm sự tham gia của oxi vào mẫu tro hóa nhằm nâng cao tốc ñộ tro hóa và phần tro nhận ñược sẽ không có hỗn hợp cacbon. Thời gian tro hóa phụ thuộc vào thành phần mẫu tro hóa, mức ñộ nghiền mẫu và lượng mẫu ñem tro hóa.

ðể tăng tốc ñộ oxi hóa phần mẫu hữu cơ còn lại, ta thêm vào trong chén 1 - 2 ml HNO3 ñặc, trưng khô trên bếp ñiện và nung nóng trong lò nung ở nhiệt ñộ 450 - 5000C trong 1 giờ. Lặp lại quá trình xử

164

lí mẫu bằng axit rồi chưng và nung trong lò ñến khi oxi hóa hoàn toàn chất hữu cơ , sau ñó hòa tan phần khô bằng axit HCl 10%, lọc dung dịch qua giấy lọc băng trắng vào bình ñịnh mức 100 ml.

Nếu trong chén và trên giấy lọc có một lượng lớn phần không hòa tan (bao gồm SiO2 và hỗn hợp các chất khó tan khác) thì tốt nhất nên phá hủy phần không tan này ñể tránh mất các kim loại nặng cần xác ñịnh. ðể chuyển hợp chất khó tan này sang trạng thái hòa tan, ta chuyển toàn bộ phần này lên trên giấy lọc rồi sấy khô giấy lọc. Cho giấy lọc này vào chén platin rồi thiêu hủy trong lò nung ở nhiệt ñộ 450 - 5000C. Quá trình thiêu hủy tiến hành ñến khi nhận ñược phần tro không có hợp chất cacbon. Thêm vài giọt nước ñể làm ướt phần mẫu ñã tro hóa rròi thêm vào 0,2 ml H2SO4, 5 ml HF ñể phá hủy và tách SiO2. Chưng mẫu ñến khô trên bếp ñiện. Nếu lượng tro còn lại lớn thì cần phải xử lí bằng HF một lần nữa. Trong trường hợp này, khi xử lí mẫu bằng HF lần ñầu ta không cần chưng mẫu ñến khô mà chỉ chưng ñến khi xuất hiện khí SO2.

Hòa tan mẫu bằng HCl 10% rồi lọc qua giấy lọc (ñã ñược rửa sạch trước bằng HCl loãng) sau ñó gộp các phần dung dịch lại với nhau.

Phần dịch lọc cuối cùng ñược dùng ñể xác ñịnh các kim loại nặng trong thực vật theo các phương pháp khác nhau.

Tro hóa ướt:

Khi tro hóa ướt, các chất hữu cơ ñược oxi hóa dưới tác dụng của những chất oxi hóa mạnh như: H2SO4, HNO3, HClO4. Phương pháp này ñơn giản về mặt thực hiện và ưu việt hơn phương pháp khô về mặt tốc ñộ, ñặc biệt trong trường hợp mẫu thực vật có chứa một lượng lớn phần tro không tan. Nếu tuân theo nghiêm ngặt những ñiều kiện tro hóa ta có thể loại trừ khả năng mất kim loại nặng.

- Tro hóa bằng hỗn hợp H2SO4 và HNO3 (Troitxky, 1957): lấy 5 g mẫu cho vào bình Kenñan dung tích 300 ml, cho vào 5 ml H2SO4 ñặc (d = 1,84) và 5 ml hoặc nhiều hơn HNO3 (d = 1,4). ðun nhẹ bình ñể tránh sủi bọt mạnh (ngoài ra khi ñun nóng nhẹ ta có thể duy trì lâu tác dụng của HNO3 vì nó dễ bị phân hủy và bay hơi).

Sau khi ñuổi hết hơi HNO3, làm lạnh bình, nếu như chưa oxi hóa hoàn toàn chất hữu cơ ở trong mẫu, ta lại thêm HNO3 vào và ñun nóng mẫu ở nhiệt ñộ cao hơn trong khoảng 10 phút rồi làm lạnh. Khi oxi hóa hoàn toàn chất hữu cơ trong mẫu, dung dịch trở nên trong suốt.

- Tro hóa mẫu bằng hỗn hợp các axit H2SO4 và HNO3 và HClO4: lấy 5 g mẫu thực vật ở trạng thái khô không khí cho vào bình Kenñan dung tích 300 ml. Thêm vào 5 ml H2SO4 ñặc (d = 1,84) và 7 ml HNO3 (d = 1,4) và cứ mỗi gam mẫu thì thêm vào 4 ml HClO4 (d = 1,54). ðể quá trình tro hóa mẫu ñược tính hành một cách an toàn, thể tích H2SO4 trong bình không ñược nhỏ hơn 2 ml, ñặc biệt trong giai ñoạn HNO3 bốc hơi, vì khi thể tích H2SO4 nhỏ hơn 2 ml, có thể nổ bình do sự phân hủy amoni peclorat, ñược tạo thành trong quá trình oxi hóa chất hữu cơ. Sau khi ñã cho hết các axit vào bình, ñun nóng dần dần trên bếp ñiện hoặc ñèn khí ñến 1000C, ñến khi xuất hiện NO2 màu nâu. lấy bình ra và ñể nguội. ðiều này cần thiết vì nó làm chậm quá trình phân hủy HNO3. Sau ñó bình ñược ñốt nóng ñến khi xuất hiện khí SO2 màu trắng. Phản ứng cần ñược tiến hành từ từ.

Sau khi xuất hiện SO2, ñun nóng bình từ 5 - 10 phút, rồi tăng nhiệt ñộ lên và tiếp tục ñun nóng 1 - 2 phút. ở giai ñoạn này chất hữu cơ của mẫu bị phân hủy hoàn toàn, dung dịch trở nên không màu.

Nếu mẫu bị tro hóa còn có cacbon thì thêm vào 1 - 2 ml HNO3 rồi ñốt nóng bình ñến khi xuất hiện khí SO3. Việc xử lí này tiến hành cho ñến khi nào dung dịch trở nên không màu.

Sau khi nguội, ñun pha loãng dung dịch trong bình ñến 50 ml, lọc vào bình ñịnh mức dung tích 100 ml. Dung dịch này ñược dùng ñể xác ñịnh các kim loại nặng. Phương pháp ñịnh lượng

tương tự như khi xác ñịnh chúng ở dạng di ñộng.

165

9.2.4. Một số ví dụ về giới hạn phát hiện của các phương pháp phân tích công cụ trong phân tích các kim loại nặng

Trong phân tích lượng vết các nguyên tố kim loại nặng việc lựa chọn phương pháp cũng ñóng vai trò hết sức quan trọng. Mỗi phương pháp có khả năng phát hiện và có ñộ nhạy khác nhau ñối với các nguyên tố kim loại nặng.

Giới hạn phát hiện ở ñây ñược tính bằng ñơn vị µg/ ml

Phương pháp phân tích As Cd

Cu Pb Zn Hg Se

Phương pháp quang phổ

- UV/VIS 0.05 0.04 0.03 0.08 0.02 0.08 0.2

- AAS (ngọn lửa) 0.02 0.05 0.2 0.6 0.02 15 0.3

- AAS (lò graphite) 0.004 0.001 0.003 0.002 0.00006 0.2 0.006

- Phát xạ hồ quang 20 2 0.05 2 3 20 100

- Phổ phát xạ plasma 0.05 0.005 0.005 0.02 0.005 0.02 0.02

- Huỳnh quang tia X 1 0.7 1 2 1 1 1

- Phổ khối lượng 0.006 0.3 0.1 0.03 0.01 0.06 0.1

Phương pháp ñiện hóa

- Cực phổ 0.1 0.2 0.2 0.4 0.5 1 0.5

- Cực phổ xung vi phân 0.004 0.002 0.002 0.003 0.003 - 0.00002

- ðiện cực chọn lọc ion - 0.03 0.01 0.03 - - -

9.2.5. Xác ñịnh chì (Pb2+) trong ñất

Hàm lượng chì trung bình trong các ñất của Liên Xô (cũ) là 1,2.10-3 % (12 mg/kg), trong thực vật 5.10-5%, trong ñất ở ôxtrâylia : 10 - 130 ppm; ở Trung Quốc là 25 ppm, trong các ñất ở Mỹ là 17 - 26 ppm. Hàm lượng chì cao hơn ở trong ñất thường liên quan ñến ñất bị ô nhiễm do hoạt ñộng sản xuất của con người.

Chỉ có các muối Pb(NO3)2 và Pb(CH3COO)2 tan trong nước. Trong dung dịch axit clohydric, chì (II) nằm ở dạng phức với clorua [PbCl3]

-. Trong các dung dịch axit yếu, chì bị thủy phân và ở pH cao hơn 7, chì ở dưới dạng kết tủa hidroxit màu vàng nâu; trong môi trường kiềm dư bị hòa tan tạo thành ion Pb(OH)4

2-. Vì vậy trong quá trình phân tích cần lưu ý khả năng thủy phân của Pb (II).

Chì cũng bị giấy lọc và các dụng cụ thủy tinh hấp phụ mạnh, trong các dung dịch axit khi có mặt H2O2 sự hấp phụ Pb giảm ñi ñáng kể.

Phương pháp xác ñịnh:

- Phân hủy ñất: Phân hủy ñất bằng axit: Khi xác ñịnh Pb trong ñất người ta xử lý mẫu bằng axit HF cùng axit HNO3 hay HClO4. Quá trình phân hủy tiến hành trong lò nung (ñể phân hủy chất hữu cơ), tại nhiệt ñộ không vượt quá 5000C ñể tránh mất kim loại nặng do bay hơi.

ðể phân hủy mẫu ñất và mẫu quặng người ta cũng sử dụng hỗn hợp HNO3 và các chất oxi hóa như H2O2, HClO4, KClO3. Khi xử lí bằng hỗn hợp này các chất hữu cơ bị khoáng hóa, các hợp chất

166

khó tan của chì chuyển hoàn toàn sang dạng dung dịch. Quá trình phân hủy tiến hành trong bình Kenñan và sinh hàn không khí dưới dạng ống thủy tinh.

Phân hủy bằng phương pháp nung chảy: ðể phân hủy mẫu ñất khi xác ñịnh chì, có thể sử dụng hỗn hợp Na2CO3 + MgO (1:2) hoặc hỗn hợp Na2CO3 + ZnO (1:4). Quá trình phân hủy tiến hành tại nhiệt ñộ không cao quá 700-8000C trong thời gian 1,5-2 giờ. Làm lạnh rồi hòa tan trong nước nóng. Chì chuyển vào trong nước dưới dạng Pb(OH)4

2-.

- Xác ñịnh chì: ðể xác ñịnh một lượng nhỏ chì, thường sử dụng phương pháp chiết trắc quang với thuốc thử ñithizon. Trong môi trường trung tính hoặc kiềm yếu ñithizon tạo với ion Pb(II) thành hợp chất chì ñithizonat. Trong các dung môi hữu cơ chì ñithizonat có màu ñỏ. ðộ tan của chì (II) ñithizonat trong CHCl3 cao gấp 17 lần so với trong CCl4.

Hệ số hấp thụ phân tử bằng 6,86.104, hấp thụ cực ñại ở bước sóng 520 nm; giới hạn phát hiện của phương pháp là 0,05 µg Pb/ml. ðịnh luật Bia ñược tuân theo ñến khoảng nồng ñộ 70 µg Pb trong 50 ml CCl4.

ðiều kiện thích hợp ñể chiết phức là tại pH = 8 - 10. Tại môi trường kiềm pH > 10,5 và trong môi trường axit pH < 3,5 nếu tiến hành chiết trong CHCl3 (hay tại pH < 4,5 nếu chiết bằng CCl4) chì ñithizonat sẽ bị phá hủy và chì sẽ chuyển sang tướng nước.

Trình tự phân tích:

Cân 2,5 g ñất nghiền ñến trạng thái bột mịn cho vào bình Kenñan, thêm vào ñấy 15 ml HNO3 ñặc và vài giọt H2O2, ñậy bình bằng phễu thủy tinh cuống dài dùng làm sinh hàn. ðun nóng nhẹ ñến khi xuất hiện các oxit của nitơ. ðể nguội bình rồi thêm tiếp những phần HNO3 và H2O2 mới tiến hành ñun cho ñến khi mẫu ñất trở nên trắng. Xử lý mẫu bằng HCl và lọc vào cốc thủy tinh chịu nhiệt. Chưng dung dịch lọc ñến khô, thêm vào cốc HCl 1:1, ñun sôi ñến 80 - 900C, lọc và rửa phần không hòa tan của ñất. Cho dung dịch lọc vào bình ñịnh mức và ñịnh mức bằng nước cất ñến vạch mức.

Lấy một thể tích dung dịch trên cho vào phễu chiết, thêm 5 - 10 ml amoni xitrat 10% và 1 - 2 giọt chỉ thị thimol xanh. Dùng amoniac trung hòa dung dịch ñến pH 9-10 (chỉ thị có màu xanh). Sau ñó thêm 5ml dung dịch ñithizon 0,001% trong CCl4 rồi lắc ñều phễu. Sau khi phân lớp, rót phần hữu cơ vào phễu chiết khác. Tiến hành chiết lại chì trong mẫu ñến khi màu của ñithizon không thay ñổi. Gộp toàn bộ phần chiết. Thêm vào phễu chiết có hỗn hợp các dithizonat của các kim loại 10 ml HCl 0,02N và lắc mạnh ñể chuyển chì sang tướng nước; chuyển phần tướng nước vào phễu chiết khác. Rửa phần hữu cơ ñó bằng nước và nước rửa này cũng gộp vào phễu chiết chứa dung dịch chì.

Thêm vào dung dịch chứa chì 5 ml amoniaxitrat 10% và trung hòa bằng ammoniac ñến pH = 9. Thêm 1 ml KCN 5%, 5 ml dung dịch ñithizon 0,001% trong CCl4 và lắc mạnh. Sau khi phân lớp, rót phần hữu cơ vào bình ñịnh mức dung tích 25 - 50ml (hoặc ống nghiệm chia ñộ) và lặp lại quá trình chiết chì ñến khi màu của ñithizo không thay ñổi. ðịnh mức thể tích ñến vạch mức bằng CCl4. Lắc ñều và ño màu ở bước sóng 520 nm. Dung dịch so sánh là CCl4.

Hóa chất:

Dung dịch chuẩn gốc: 0,1 mg Pb/ml. Hòa tan 0,1598 g Pb(NO3)2 ñã kết tinh lại và sấy khô ở 1100C trong nước, thêm 1 ml HNO3 và thêm nước cất ñến vạch mức.

Dung dịch chuẩn sử dụng: 1 µg Pb/ml.

Dung dịch ñithizon 0,001% trong CCl4

Dung dịch gốc: Hòa tan 0,4 g ñithizon trong 200 ml CCl4. Chuyển dung dịch vào phễu chiết 1,5 - 2 lít, thêm vào ñây 500 ml NH4OH loãng (1:200), lắc 3-5 phút. Loại bỏ phần tướng hữu cơ. Rửa

167

phần nước một vài lần bằng CCl4, mỗi lần 5 - 10 ml; cho ñến khi CCl4 có màu xanh; sau ñó thêm vào phễu chiết 12,5 ml H2SO4 1:5, lắc ñều. Thêm 400 ml CCl4 và lắc phễu, rót dung dịch này vài lần bằng nước cất 2 lần ñể tách hết lượng axit dư (thường từ 2-3 lần). Lọc dung dịch ñithizon qua giấy lọc khô (giấy lọc ñã ñược rửa bằng HCl và nước cất hai lần) vào trong lọ thủy tinh màu nâu. Dung dịch phải ñược bảo quản lạnh.

Từ dung dịch này pha loãng bằng CCl4 ta ñược dung dịch ñithizon sử dụng có nồng ñộ 0,01%.

9.2.6. Xác ñịnh thủy ngân (Hg2+) trong ñất

Thủy ngân từ khí quyển khi xâm nhập vào ñất sẽ bị các chất hữu cơ và các hyñroxit của các kim loại hút thu; mangan hiñroxit có khả năng hút thu thủy ngân mạnh nhất.

Theo Vinagradova A.P hàm lượng thủy ngân trong ñất là: 1-14.10-6%, theo Glañuseva V.P và các cộng sự hàm lượng thủy ngân trong ñất dao ñộng trong giới hạn 1.10-7-1.10-6%. Hàm lượng trung bình của thủy ngân trong thủy quyển là 0,03 µg/l, trong thực vật: n.10-5 - n.10-7%. Trong ñất ở khoảng pH = 6, thủy ngân bị cố ñịnh chặt nhất.

Thường hay phân tích hợp chất thủy ngân (II). Các hợp chất này tan tốt trong nước nhưng cũng bị thủy phân mạnh. Khi pH >5 sẽ xuất hiện dưới dạng HgO kết tủa màu vàng, khi pH >11,5 bắt ñầu bị hòa tan. Hợp chất của thủy ngân với halogen [Hghal]+...[Hg(hal)4]

2- là những hơp chất dễ bay hơi. Hg2+ còn tham gia tạo phức với các anion CN-, SCN-, S2O3

2-, NO2- hoặc với NH3.

Hg có thể bị hấp phụ bởi dụng cụ thủy tinh, polyetylen, teflon cũng hấp phụ một lượng nhỏ thủy ngân. Thủy tinh pirec, thạch anh hấp phụ thủy ngân ít nhất. ðể làm giảm khả năng hấp phụ cần phải xử lý trước thủy tinh bằng HNO3 ñặc và rửa nước hoặc bằng dung dịch cromic.

Phương pháp xác ñịnh:

Phân hủy ñất: Có thể dùng phương pháp thiêu kết hoặc xử lý mẫu bằng axit. Trong phương pháp thiêu kết không dùng các muối cacbonat của kim loại kiềm vì khi ñó có thể mất hoàn toàn thủy ngân. ðể xác ñịnh thủy ngân người ta dùng phương pháp thiêu kết trong các ñiều kiện khử khi ñó thủy ngân sẽ ñược khử ñến kim loại rồi cất trong dụng cụ ñặc biệt, thường sử dụng canxi oxit và bột sắt, chì oxit, chì oxit và canxi nitrat làm chất thiêu kết. Hg thu ñược sẽ ñược hòa tan trong HNO3.

Trong phương pháp xử lý mẫu bằng axit người ta thường dùng H2SO4 khi có mặt chất oxi hóa như HNO3, các muối nitrat hoặc KMnO4. Quá trình phá mẫu khi ñun nóng cho ñến khi mẫu trở nên trắng, sau ñó loại chất oxi hóa còn dư bằng cách thêm vào các chất khử như urê, focmalin. ðể phân hủy mẫu thực vật hoặc các ñối tượng sinh học khác người ta dùng hỗn hợp H2SO4 và HClO4 khi có mặt natri molipñat. ðể ñẩy nhanh quá trình phân hủy người ta tẩm ướt mẫu trước bằng dung dịch HNO3 ñặc.

Trong môi trường axit khi có dư thuốc thử, ñithizon phản ứng với Hg(II) tạo thành phức Hg(HDZ)2 tan trong các dung môi hữu cơ. Dung dịch thủy ngân (II) ñithizonat trong CHCl3 và CCl4 có màu vàng-da cam; hấp thụ cực ñại ở bước sóng 485 nm. Hệ số hấp thụ phân tử bằng 7,1.104; ñịnh luật Bia tuân theo trong khoảng nồng ñộ ñến 50 µg Hg trong 50 ml dung dịch chiết.

ðiều kiện thích hợp ñể tạo phức và chiết phức là trong dung dịch H2SO4 0,5-1N hay HNO3 0,5 -1N.

Trình tự phân tích:

Thiêu hủy 1 g ñất ñã nghiền ñến trạng thái bụi bằng hỗn hợp PbO2 +Ca(NO3)2; 1 g ñất ñược mài mịn trong cối với 2 g PbO2 và 0,15 g Ca(NO3)2 ñã làm khô trước trong bình hút ẩm. Cho hỗn hợp vào

168

phần 1 của dụng cụ và ñun nóng, lúc ñầu ñun nhẹ ở phần trên ngọn lửa ñèn khí và sau ñó nung ñỏ. Khi thiêu kết dụng cụ ñược ñặt hơi nghiêng. Sau 5 - 6 phút nung nóng, di chuyển ngọn lửa ñèn khí ñến 3, ñốt nóng phần này sau ñó lại chuyển xuống dưới, làm lạnh. Hòa tan thủy ngân ñã thăng hoa trong 1ml HNO3 1:1 rồi chuyển dung dịch vào phễu chiết. Rửa ống nghiệm một vài lần bằng nước cất rồi gộp cả vào phễu chiết trên. Pha loãng dung dịch bằng nước cất ñến nồng ñộ HNO3 1N. Sau ñó rót vào phễu dung dịch KMnO4 0,1N ñến khi dung dịch có màu hồng rồi lắc ñều. Sau 1 - 2 phút khử lượng MnO4

- còn dư bằng Na2SO3 20%, lắc ñều. Thêm vào phễu chiết 4 ml dung dịch ñithizon 0,001% trong CHCl3 và lắc phễu chiết 1 phút. Tiến hành chiết ñithizonat ñến khi ñithizon không ñổi màu. Sau khi tách lớp, rót phần chiết vào cuvet và ño mật ñộ quang ở bước sóng 485 nm.

Dung dịch chuẩn gốc:

Hòa tan 0,3336 g Hg(NO3)2.0,5H2O tinh khiết hóa học trong 1 ml HNO3 ñặc rồi thêm nước cất ñến 1 lít, ñược dung dịch chuẩn có nồng ñộ có nồng ñộ 0,1 mg Hg/ml. ðường chuẩn ñược xây dựng từ dung dịch chuẩn có hàm lượng 2µg Hg/ml trong HNO3 1N.

9.2.7. Xác ñịnh dạng di ñộng của một số nguyên tố

Những hợp chất của các kim loại nặng dễ dàng chuyển vào trong các dung dịch chiết rút khác nhau ñược gọi ñược gọi là dạng di ñộng của các kim loại nặng.

Những hợp chất hòa tan trong nước, những dạng trao ñổi và những hợp chất hòa tan trong các axit có nồng ñộ thấp cũng như trong các dung dịch ñệm ñều ñược xếp vào các hợp chất di ñộng. Các dung dịch dùng ñể chiết rút các hợp chất di ñộng hiện có rất nhiều, thường là các dung dịch axit và các dung dịch ñệm. Các dung dịch này khác nhau về lực tác dụng của chúng ñối với ñất và một số trường hợp dung dịch chiết rút ñược sử dụng như là một thuốc thử nhóm rồi xác ñịnh một số kim loại nặng quan trọng ở trong ñó, người ta sử dụng những thuốc thử khác nhau.

Sự lựa chọn một dung dịch chiết rút thích hợp ñể chiết rút kim loại nặng di ñộng trong ñất ñược ñánh giá bằng cách so sánh những số liệu phân tích nhận ñược với các kết quả của các thí nghiệm ngoài ñồng có sử dụng các phân vi lượng ở các cây trồng và trong những ñiều kiện thổ nhưỡng không giống nhau; từ ñó giải thích về mức ñộ ñảm bảo của ñất về các kim loại nặng ñối với dinh dưỡng của thực vật.

ðã có nhiều nghiên cứu công phu ñể chọn lựa, so sánh các dung dịch chiết rút nhóm và các dung dịch chiết rút riêng biệt các kim loại nặng. Các dung dịch chiết rút nhóm thường ñược ñề cập ñến là:

Dung dịch axetat-lactat theo phương pháp Egner-Rim-Doming (phương pháp AL).

Dung dịch HCl 1N (phương pháp Rinhkis).

Dung dịch EDTA 0,01M + dung dịch ñệm amoni axetat pH = 4,7 (amoni axetat 0,5N và axit axetic 0,5N).

Dung dịch ñệm oxalat (phương pháp Grigg).

Dung dịch ñệm amoni axetat pH = 4,8 theo phương pháp của Krupski-Alecxandrova (dùng cho ñất cacbonat và trung tính).

Dung dịch Baron pH = 4 (gồm amoniaxetat, amonisunfat và axit axetic).

Với từng nguyên tố, sử dụng các dung dịch chiết rút riêng sau ñây:

B : nước cất nóng (theo Berger và Truog).

Cu : HNO3 0,43 N (theo Vesterhoff); HCl 1N (theo Rinhkis).

169

Zn : KCl 1N (theo Rinhkis); EDTA + (NH4)2CO3 (theo Trierveiler và Lindsay); HCl 0,1N (theo Zommer).

Mo : dung dịch ñệm oxalat pH = 3,3 (theo Grigg).

Từ các kết quả phân tích ñất, phân tích cây trong các thí nghiệm trong chậu và ngoài ñồng, nhiều nhà nghiên cứu ñã rút ra nhận xét:

Dung dịch chiết rút có ñộ axit càng mạnh thì lượng các kim loại nặng ñược chiết rút ra càng lớn. Lượng các kim loại nặng ñược chiết rút ra bằng HCl 1N là lớn nhất.

Ba Lan, Cộng hòa Séc sử dụng HCl 1N làm dung dịch chiết rút nhóm ñể xác ñịnh kẽm, ñồng, mangan; Liên Xô (cũ) dùng dung dịch ñệm amoni axetat (pH = 4,8) làm dung dịch chiết rút nhóm ñể xác ñịnh mangan, kẽm, ñồng và coban trong ñất trung tính và ñất cacbonat (hàm lượng cacbonat không quá 10%).

ở Liên Xô (cũ) sử dụng phổ biến hệ thống dung dịch chiết rút do I.V.Peive và G.I.Rinhkis ñưa ra ñể xác ñịnh dạng di ñộng của các kim loại nặng ñối với ñất không phải cacbonat.

Trong hệ thống này ñể chiết rút mỗi kim loại nặng người ta sử dụng những thuốc thử riêng. Phương pháp này ñã ñược phòng thí nghiệm hóa học ñất Học viện thổ nhưỡng mang tên V.V. Docutraev cải tiến. Tỉ lệ giữa ñất và dung dịch chiết rút là 1:10, lắc trong 1 giờ.

9.2.7.1. Xác ñịnh bo di ñộng

ðể chiết rút bo di ñộng từ ñất người ta thường xử lý ñất bằng nước sôi. Phương pháp này ñã ñược Berger và Truog ñưa ra năm 1939. Hiện nay phương pháp này ñã ñược cải tiến về tỉ lệ giữa ñất, nước và thời gian ñun sôi.

Chiết bo di ñộng từ ñất: Cân 20 - 50 g ñất khô không khí ñã rây qua rây 1 mm cho vào bình làm từ thạch anh hay từ thủy tinh không bo. Thêm nước cất với lượng gấp hai lượng ñất cân theo tỷ lệ 1 : 2 ( ñối với ñất than bùn 1:10). ðun nóng bình ñến sôi và giữ sôi trong 10 phút. Bình ñun phải có sinh hàn, nếu không có thể thay bằng một ống thủy tinh dài 25 - 30 cm làm từ thủy tinh không bo, cắm vào nút lie. Lọc dung dịch nóng qua giấy lọc không tàn. Lấy 20 - 40 ml (tuỳ thuộc vào hàm lượng bo) dung dịch lọc trong cho vào bát thạch anh hay bát platin, thêm vào 1 ml dung dịch NaOH hay KOH 1N rồi chưng dung dịch trên bếp cách thủy ñến khô. Nung phần khô này trong lò nung tại nhiệt ñộ 450 - 5000C ñến khi phá hủy hoàn toàn chất hữu cơ và nitrat (1-2 giờ). Sau ñó có thể dùng phương pháp carmin hay phương pháp quinalizarin ñể xác ñịnh bo.

a. Xác ñịnh bo di ñộng bằng phương pháp carmin:

Hòa tan phần khô sau khi nung trong 5 - 10 ml dung dịch H2SO4 0,5N, nghiền cẩn thận bằng một que thủy tinh khô làm từ thủy tinh không bo. Lọc dung dịch qua giấy lọc không tàn, hứng dung dịch lọc.

Dùng pipet hút lấy 1 ml cho vào ống nghiệm nút nhám, thêm chính xác 9 ml dung dịch carmin 0,005% trong H2SO4 (d = 1,84), nút ống nghiệm, lắc ñều và giữ nguyên 12 - 18 giờ, sau ñó ño mật ñộ quang trong cuvet dày 3 cm, ñậy cuvet bằng nắp thủy tinh. Kết quả phân tích ñược tính theo ñường chuẩn.

Cần chú ý là dung dịch phân tích và dung dịch chuẩn ñược lấy cùng bằng một pipet.

Hóa chất:

H2SO4 ñặc loại tinh khiết ñặc biệt hay tinh khiết hóa học. Nồng ñộ ñược xác ñịnh bằng tỷ trọng kế.

170

Kiểm tra xem có NO3- trong axit này bằng cách rót 9 ml nước cất vào trong ống nghiệm sạch,

khô, sau ñó rót vào 1 ml H2SO4 ñặc, lắc ñều. Sau khi nguội, thêm từ từ, dọc theo thành ống 5 ml dung dịch ñiphenylamin trong H2SO4 ñặc vào trong ống nghiệm. Nếu có nitrat, trên ranh giới giữa hai chất lỏng xuất hiện một vùng hoặc một vòng màu xanh nước biển.

Axit bị bẩn NO3- và những axit có màu nhạt cũng không nên dùng ñể xác ñịnh bo. ðể xác ñịnh

bo tốt nhất là sử dụng loại ñặc biệt tinh khiết, có thể sử dụng loại tinh khiết hóa học ñã thử trước không có NO3

- và bo.

Dung dịch carmin 0,005% trong H2SO4 ñặc. Cần phải thử trước chất lượng carmin: cho dung dịch axit boric vào ống nghiệm rồi thêm vào một lượng vừa phải dung dịch carmin trong axit sunfuric ñặc. Thêm dung dịch carmin cần phải ở lượng tối thiểu. Nếu dung dịch axit boric có màu xanh nước biển thì carmin có thể sử dụng ñược. Sau khi kiểm tra, cân trên phân tích 50mg carmin cho vào bình ñịnh mức 1 lít, thêm 500 - 600 ml H2SO4 ñặc (d = 1,84) khuấy ñều dung dịch cho ñến khi hòa tan hoàn toàn (tốt nhất là ñể qua ñêm), sau ñó thêm H2SO4 ñặc ñến vạch mức. ðậy bình và lật ngược bình một vài lần ñể dung dịch trở nên ñồng nhất.

Dung dịch carmin ñựng trong lọ nút nhám ñể ở chỗ tối. Dung dịch có màu ñỏ, nếu dung dịch có màu khác, không thuận lợi ñể ñịnh lượng bo.

Axit boric: H3BO3

ðể xây dựng ñường chuẩn cần phải dùng H3BO3 kết tinh lại hai lần. ðộ tan của axit boric tại 00C là 2 g trong 100 ml nước cất, tại 200C là 5 g và tại 1000C là 40 g. Cân 10 - 12 g axit boric, hòa tan khi ñun nóng và khuấy liên tục trong 100 ml nước cất. ðun dung dịch ñến sôi, lọc dung dịch nóng qua giấy lọc băng trắng, hứng dung dịch lọc vào trong bình rộng làm từ thủy tinh không bo. Làm lạnh bình bằng vòi nước hoặc nước ñá. Dùng phễu Busner lọc H3BO3 qua giấy lọc băng trắng, rửa axit này bằng 3-4 lần bằng những lượng nhỏ nước cất lạnh. Lấy H3BO3, làm khô ở ngoài không khí, trên tờ giấy lọc, ñậy bằng một tờ giấy lọc khác, cùng loại. Chuyển kết tủa vào trong cốc cân rộng ñáy, không ñậy nắp cốc cân rồi ñặt cốc vào trong bình hút ẩm có chứa H2SO4 ñặc ñến khối lượng không ñổi. Axit boric kết tinh lại ñược giữ trong cốc cân ñậy nắp và ñể trong bình hút ẩm.

Dung dịch chuẩn gốc: Cân 0,2858g axit boric ñã kết tinh lại trên cân phân tích sau ñó chuyển lượng cân vào bình ñịnh mức 500 ml nút nhám. Hòa tan bằng H2SO4 0,5N sau ñó ñịnh mức ñến vạch mức cũng bằng chính dung dịch axit này. ðậy nút và lật ngược bình vài lần ñể trộn ñều dung dịch. Ta ñược dung dịch chuẩn gốc có hàm lượng bo là 0,1mg/ml.

H2SO4 0,5N: lấy 14 ml H2SO4 ñặc hòa tan, thêm nước ñến 1 lít.

Dung dịch chuẩn sử dụng: Dùng H2SO4 0,5N pha loãng dung dịch chuẩn gốc lên 10 lần ta ñược dung dịch chuẩn sử dụng có hàm lượng bo là 0,01 mg/ml.

Thang chuẩn: Dùng 2 micro buret có thể tích 1 hoặc 2 ml, một ñựng dung dịch chuẩn sử dụng, một ñựng H2SO4 0,5N. Lấy các thể tích dung dịch chuẩn sử dụng: 0,00; 0,05; 0,10; 0,20; 0,40; 0,60; 0,80; 1,00 ml cho vào ống nghiệm sạch, khô làm từ thủy tinh không bo hoặc làm từ thạch anh; sau ñó thêm các thể tích H2SO4 0,5N vào ñể thể tích dung dịch trong mỗi ống ñúng bằng 1 ml. Lắc ñều rồi thêm vào mỗi ống nghiệm chính xác 9 ml dung dịch carmin 0,0055. Lắc ñều và giữ yên trong 24 giờ ñể màu ổn ñịnh hoàn toàn, ta ñược thang màu chuẩn.

b. Xác ñịnh bo theo phương pháp quinalizarin:

Nguyên lí: Phương pháp dựa trên sự thay ñổi màu tím của quinalizarin (1, 2, 5, 8- tetra oxianthraquinon) trong môi trường H2SO4 ñặc sang màu xanh nước biển khi có mặt bo. Khi có mặt bo,

171

quinalizarin sẽ tạo thành một hợp chất nội phức. ðộ nhạy của quinalizarin cao hơn so với carmin vì hệ số hấp thụ phân tử cao hơn (ε = 7000 tại bước sóng 615 nm).

Vì màu của hợp chất phức boquinalizarin chỉ tuân theo ñịnh luật Bia khi hàm lượng bo không vượt quá 1µg nên trong ñường chuẩn cũng chỉ xây dựng với hàm lượng bo từ 0 - 1 µg.

Trình tự phân tích: Lấy 1 ml dung dịch phân tích cho vào ống nghiệm hay ống trụ làm từ thủy tinh không bo hoặc làm từ thạch anh có thể tích là 20 - 25 ml.

Tuỳ thuộc vào nồng ñộ axit sử dụng, dùng buret thêm 19,0 - 22,0 ml dung dịch quinalizarin trong axit sunfuric. ðậy nút ống nghiệm, lắc ñều dung dịch và giữ yên 12-18 giờ ñể cho màu ổn ñịnh hoàn toàn sau ñó ño màu trên máy trong cuvet 3 cm, dùng miếng thủy tinh ñể ñậy cuvet.

Hóa chất:

H2SO4 93,56 - 95,60% loại ñặc biệt tinh khiết hoặc tinh khiết hóa học.

Dung dịch quinalizarin trong axit sunfuric: hòa tan 10 - 20 mg quinalizarin trong 1 lít H2SO4 ñặc. Do số ml dung dịch này thêm vào mẫu phụ thuộc vào hàm lượng phần trăm H2SO4 nên cần phải xác ñịnh hàm lượng của nó.

ðĩa cân phân tích bên trái ñặt cốc cân hoặc bình tam giác có nút nhám dung tích 100 ml; ñĩa cân bên phải ñặt quả cân 2 g. Dùng pipet có quả bóp bằng cao su thêm cẩn thận H2SO4 ñặc vào cốc cân hoặc bình tam giác cho ñến khi cân thăng bằng.

ðậy cốc cân hoặc bình tam giác và xác ñịnh chính xác lượng H2SO4 ñã lấy. Khi cho axit vào cần chú ý không cho axit rơi ra ñĩa cân hay ra phía ngoài cốc cân hay bình tam giác. Chuyển toàn bộ lượng axit ñã cân vào bình ñịnh mức 500 ml trong ñó ñã có sẵn 100 - 200 ml nước cất. Rửa cẩn thận cốc cân, hay bình tam giác một vài lần bằng nước ñể chuyển hết axit sang bình ñịnh mức. Thêm nước ñến vạch mức và khuấy ñều. Dùng pipet lấy 3 ml mẫu, mỗi mẫu 25 ml cho vào bình tam giác 250 ml, thêm vào 2 giọt chỉ thị metyl da cam 0,1% và dùng dung dịch NaOH 0,1N ñể chuẩn.

Hàm lượng H2SO4 theo phần trăm ñược tính theo công thức:

H2SO4 (%) = 2

000,004904.1 V.=

2

49040,.V

Trong ñó: V : thể tích NaOH 0,1N dã dùng ñể chuẩn ñộ (ml)

0,004904 : lượng H2SO4 tính ra gam, tương ứng với ñúng 1 ml dung

dịch NaOH 0,1N.

2 : lượng H2SO4 tính theo gam.

Tuỳ thuộc vào hàm lượng phần trăm H2SO4 tìm ñược, ñối với 1 ml dung dịch thí nghiệm hoặc dung dịch chuẩn ñể lấy các lượng quinalizarin khác nhau:

Hàm lượng H2SO4

(tính theo %)

Dung dịch quinalizarin

(ml)

93-94

≈ 94,5

95 và cao hơn

22,0

20,0

19,0

Khi sử dụng axit có nồng ñộ cao hơn 94,5%, thuận lợi hơn cả là nên pha loãng ñể ñược dung dịch có nồng ñộ 93 - 94%.

172

Thường pha 1 - 2 l hoặc nhiều hơn dung dịch quinalizarin trong axit sunfuric. Dung dịch ñược giữ trong lọ thủy tinh nút nhám, ñặt ở chỗ tối.

Thang chuẩn: Dùng nước cất pha loãng dung dịch chuẩn gốc có chứa 0,1mg bo/1ml ra 100ml lần ta ñược dung dịch chuẩn sử dụng. Dùng micro buret cho vào các ống nghiệm nút nhám sạch, khô làm bằng thạch anh hoặc thủy tinh không bo. Các thể tích dung dịch chuẩn sử dụng như sau (ml): 0,00; 020; 0,40; 0,60; 0,80; 1,00, dùng nước cất hai lần ñưa thể tích lên ñúng 1ml.

Thêm vào mỗi ống 9ml dung dịch quinalizarin trong H2SO4, ñậy ống nghiệm, lắc ñều rồi giữ yên trong khoảng thời gian từ 12-18 giờ, sau ñó ño mật ñộ quang và xây dựng ñường chuẩn.

9.2.7.2. Xác ñịnh ñồng di ñộng

a. Xác ñịnh ñồng di ñộng theo Rinhkis:

Nguyên lí: Phương pháp dựa trên quá trình chiết rút ñồng di ñộng từ ñất bằng dung dịch HCl 1N. Tỉ lệ giữa ñất và dung dịch là 1:10. Lắc trên máy lắc 1 giờ sau ñó ñịnh lượng Cu dưới dạng phức màu của ñồng với dietyldithiocarbaminat trong CCl4.

Trình tự phân tích: Cân trên cân phân tích 5 g ñất khô không khí ñã rây qua rây 1 mm, cho mẫu vào bình tam giác nút nhám dung tích 100 ml. Thêm chính xác 50 ml HCl 1N, lắc trên máy lắc 1 giờ sau ñó lọc qua giấy lọc băng trắng.

Dùng pipet hút 10 - 25 ml dung dịch lọc (tuỳ thuộc hàm lượng ñồng) cho vào phễu chiết 50 - 100 ml, thêm 5 ml dung dịch amonixitrat 5%, 1 giọt phenolphthalein rồi thêm từng giọt ammoniac ñến khi dung dịch có màu hồng nhạt. Cho vào chính xác 15 ml dung dịch chì dietyldithiocarbaminat trong CCl4, lắc trên máy lắc 10 phút. ðể dung dịch trong phễu phân lớp rồi rót lớp CCl4 chứa phức của ñồng với thuốc thử có màu vàng qua giấy lọc khô vào cuvet 2cm. ðo màu với kính lọc màu 453 nm, dung dịch so sánh là CCl4.

Kết quả phân tích tính theo công thức:

X = b

a

X : Hàm lượng ñồng trong ñất mg/kg

a : Lượng ñồng trong thể tích lấy ñể phân tích, tìm thấy theo ñường chuẩn (µg)

b : Khối lượng ñất, tương ứng với thể tích lấy ñể phân tích (g)

Hóa chất:

Dung dịch chì dietyldithiocarbaminat trong CCl4: Lắc 664 mg natridietyldithiocarbaminat với 1lít CCl4 trong phễu chiết; thêm vào phễu dung dịch chì nitrat (489mg Pb(NO3)2 hòa tan trong 100ml nước cất hai lần). Lắc phễu 5 phút. ðể cho phân lớp rồi lọc lớp CCl4 có chì dietyldithiocarbaminat tan trong ñó qua giấy lọc khô vào trong bình tuỷ tinh màu nâu. Dung dịch ñược giữ trong tủ lạnh.

Dung dịch chuẩn CuSO4: Hòa tan 3,993 g CuSO4.5H2O ñã kết tinh lại trong nước cất hai lần, ñịnh mức ñến 1 lít, ñược dung dịch chứa 1mgCu/ml. Pha loãng dung dịch này 100 lần (10ml pha loãng ñến 1 lít) thu ñược dung dịch chứa 0,01 mgCu/ ml; lại pha loãng dung dịch ñó 10 lần ta ñược dung dịch chứa 1 µg Cu/ ml, sử dụng dung dịch này ñể pha thang chuẩn.

Thang ñánh giá (mg Cu/kg):

Rất nghèo ñồng :

Nghèo ñồng:

Trung bình:

0,3

0,3 - 1,5

1,5 - 3,3

173

Cao: > 3,3

b. Xác ñịnh ñồng di ñộng theo Vesterhoff:

Hiện nay ñã nhiều nước thừa nhận phương pháp xác ñịnh ñồng di ñộng trong dung dịch HNO3 (dùng ñể chiết rút ñồng) của Vesterhoff là phương pháp chuẩn.

Trình tự phân tích:

Lấy 10 g ñất cho vào bình tam giác 250 ml, thêm vào 100 ml HNO3 (30 ml HNO3 d = 1,39 ñịnh mức ñến thể tích 1 lít bằng nước cất hai lần), lắc 2 giờ rồi lọc. Lấy 25 ml dung dịch lọc cho vào bình tam giác. Thêm vào 2 ml dung dịch KMnO4 0,5% và ñun dung dịch ñến sôi. Cho vào dung dịch nóng 0,5 ml axit oxalic 5% ñể làm mất màu dung dịch. ðể dung dịch nguội rồi chuyển dung dịch vào phễu chiết 100 ml (rửa bình tam giác bằng nước cất) và ñưa thể tích ñến 50 ml. Cho vào phễu chiết 1 ml dung dịch Na3PO4 bão hòa, 4 ml dung dịch natrixitrat 50% và 4 ml dung dịch NH4OH ñặc (d = 0,92). Sau mỗi lần thêm thuốc thử vào ñều phải lắc phễu chiết cẩn thận.

Cho vào chính xác 15 ml dung dịch chì dietyldithiocarbaminat trong CCl4, lắc phễu chiết 2 phút. ðể cho phân lớp, lọc chì dietyldithiocacbaminat trong CCl4 qua phễu lọc khô vào cuvet chiều dày 2 cm. ðo mật ñộ quang với kính lọc màu xanh lá cây (536 nm); CCl4 là dung môi so sánh.

ðường chuẩn ñược xây dựng từ dung dịch có hàm lượng ñồng là 10 µg Cu/ml. ðể xây dựng ñường chuẩn người ta cho vào các phễu chiết 0; 0,2; 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0 ml dung dịch ñồng, thêm nước cất 2 lần ñến thể tích 50 ml rồi tiếp tục xử lí như ñối với dung dịch phân tích.

Thang ñánh giá (mg Cu/kg):

ðánh giá ðất cát ðất sét và sét pha

Tốt

Trung bình

Kém

> 3,5

2,1 - 3,5

< 2,0

> 2,5

1,6 - 2,5

< 1,5 9.2.7.3. Xác ñịnh mangan di ñộng

a. Phương pháp Dobritxcaia:

Nguyên lí: Phương pháp dựa trên quá trình chiết rút mangan di ñộng bằng dung dịch H2SO4 0,1N. Tỉ lệ giữa ñất và dung dịch là 1: 10. Thời gian tương tác là 1 giờ, oxi hóa mangan ñến trạng thái hóa trị 7 bằng pesunfat khi có mặt bạc nitrat và axit photphoric.

Trình tự phân tích: Cân trên phân tích 5 g ñất khô không khí ñã rây qua rây 1 mm. Cho lượng cân vào trong bình tam giác nút nhám dung tích 100 ml; thêm vào 50 ml H2SO4 0,1N; lắc trên máy lắc 1 giờ, lọc dung dịch qua giấy lọc mịn băng trắng.

Lấy 10 - 15 ml dung dịch lọc cho vào cốc chịu nhiệt dung tích 50 ml. Thêm vào ñây 5 ml HNO3 ñặc và 2 ml H2O2 30%; chưng trên bếp ñiện ñến khô. Lặp lại quá trình oxi hóa bằng HNO3 và H2O2 2 - 3 lần. Sau ñó thêm 3 ml HNO3 và chưng ñến khô. Thêm vào phần khô 25 ml H2SO4 10%. ðun trên bếp ñiện ñến khi phần khô tan hoàn toàn, thêm vào cốc 15 ml nước, 2ml H3PO4 (d =1,7) và 2 ml AgNO3 1%, ñun 5 - 10 phút; nếu thấy ñục thì cần tiếp tục ñun ñến sôi rồi lọc dung dịch qua giấy lọc băng xanh. Thêm vào dung dịch nóng trong cốc khoảng 2 g amonipesunfat (thêm làm vài lần) khuấy dung dịch cẩn thận bằng que thủy tinh, ñặt cốc lên trên bếp ñiện, ñun 10-15 phút ñể oxi hóa nhanh và hoàn toàn mangan ñến axit manganic, khi ñó xảy ra quá trình phân hủy mãnh liệt amonipesunfat và có khí ozon thoát ra. Sau khi hết khí thoát ra, lấy cốc ra khỏi bếp, ñể nguội, chuyển dung dịch vào bình ñịnh mức 50 ml. Thêm nước cất hai lần ñến vạch mức. ðo mật ñộ quang trong cuvet dày 1cm hay 2 cm tại bước sóng 536 nm, dung dịch H2SO4 5% dùng làm dung dịch so sánh.

174

ðường chuẩn ñược xây dựng từ dung dịch KMnO4 0,1N (từ ống chuẩn). Lấy 10 ml dung dịch này cho vào bình ñịnh mức 100 ml, thêm nước cất hai ñến vạch mức, khuấy ñều. Từ dung dịch mới pha này lấy 10 ml cho vào bình ñịnh mức 100 ml rồi thêm nước cất hai lần ñến vạch mức. Dung dịch này có nồng ñộ 0,001N. Trong 1 ml dung dịch chứa 11 µg mangan. Dùng pipet lấy 2; 5; 10; 20; 25 ml dung dịch KMnO4 0,001N cho vào bình ñịnh mức 50 ml. Thêm nước cất ñến vạch mức và ño mật ñộ quang ngay với kính lọc màu xanh lá cây (536 nm), dùng cuvet có chiều dài như khi ño với dung dịch phân tích.

Kết quả phân tích tính theo công thức:

X = b

a 11.

X : Hàm lượng Mn trong ñất mg/kg

a : Lượng dung dịch KmnO4 0,001N nhận ñược theo ñường chuẩn ñối với thể tích dung dịch thí nghiệm lấy ñể phân tích (ml)

b : Khối lượng ñất, tương ứng với thể tích dung dịch thí nghiệm lấy ñể phân tích (g)

11 : Hàm lượng Mn tính theo µg trong 1 ml dung dịch KMnO4 0,001N

b. Xác ñịnh Mn di ñộng theo Schachtschabel:

ðể ñánh giá hàm lượng Mn di ñộng trong ñất, Schachtschabel (1957) ñề nghị tiến hành xác ñịnh mangan tan trong sunfit và mangan dễ ñược khử.

- Xác ñịnh mangan tan trong dung dịch sunfit: Cân 5 g ñất ñã rây qua rây 1mm cho vào bình tam giác 250 ml, thêm vào 0,2 g than hoạt tính và 50 ml dung dịch chiết rút, lắc trên máy lắc 1 giờ. Sau ñó lọc dung dịch qua giấy lọc băng trắng, khô. ðể phân tích có thể sử dụng những phần dung dịch lọc ñầu tiên. Lấy 15 - 20 ml dung dịch lọc cho vào bình ñịnh mức 50 ml, ñể che ảnh hưởng khử của clo và ñể tạo phức với ion sắt, thêm vào bình 2,5 ml hỗn hợp gồm thủy ngân sunfat, axit nitric, bạc nitrat và axit photphoric. Sau ñó ñể oxi hóa mangan lên trạng thái hóa trị 7 người ta thêm vào 2 g amoni pesunfat. ðặt bình với dung dịch vào trong máy ổn nhiệt 20 - 30 phút ở nhiệt ñộ 90 - 950C ñến khi ngừng thoát bọt khí. Nếu dung dịch có màu nâu thì cần phải lấy những phần dịch lọc mới (5 - 10 ml) rồi lặp lại quá trình xử lý như trên. Dung dịch lọc sau khi nguội ñược thêm nước ñến vạch mức rồi ño màu như ñã mô tả ở trên.

Hóa chất:

Dung dịch chiết rút: Cân 123,3 g MgSO4.7H2O và 2 g Na2SO3 hòa tan trong nước rồi ñịnh mức ñến thể tích 1 lít bằng nước.

Dung dịch thủy ngân sunfat: hòa tan 75 g Hg2SO4 trong 400 ml HNO3 (d = 1,4) và 300 ml H3PO4 (d = 1,7) thêm vào 0,2 g AgNO3 và dùng nước cất ñưa thể tích ñến 1 lít.

- Xác ñịnh mangan dễ khử (pH = 8,0): Quá trình chiết rút mangan tiến hành bằng dung dịch magie sunfat có thêm 2 g hiñroquinon trong 1 lít dung dịch. Tất cả quá trình chiết rút và xác ñịnh mangan sau này tiến hành như khi xác ñịnh mangan tan trong dung dịch sunfit.

- Thang ñánh giá Mn dễ khử ở pH = 8,0

175

Nghèo

Trung bình

Giàu

< 20 mg/kg (ppm)

20 - 30 mg/kg

> 30 mg/kg 9.2.7.4. Xác ñịnh kẽm di ñộng

Kẽm di ñộng ñược chiết rút từ ñất bằng dung dịch kali clorua 1N. Phương pháp chỉ sử dụng cho ñất axit. Tỉ lệ giữa ñất: dung dịch là 1:10, lắc 1 giờ trên máy. Cuối cùng xác ñịnh kẽm bằng phương pháp ño màu dưới dạng phức với dithizon theo màu ñơn.

Trình tự phân tích: Cân trên cân phân tích 2,5 g ñất khô không khí ñã rây qua rây 1 mm, cho mẫu vào chén thạch anh dung tích 50 ml. Thêm vào 25 ml dung dịch KCl 1N, lắc trên máy lắc 1 giờ rồi lọc qua phễu lọc thạch anh, dùng giấy lọc băng trắng ñã tinh chế khỏi các vết kim loại nặng.

Lấy 5 ml dung dịch lọc cho vào phễu chiết 50 ml, thêm vào 2 giọt chỉ thị metyl da cam, tiến hành trung hòa bằng dung dịch natri axetat 5% ñến khi chỉ thị chuyển sang màu vàng, lại thêm vào 0,2 ml dung dịch natri axetat 5% và 2 ml dung dịch thiosunfat 50%. Chiết kẽm hai lần bằng dung dịch dithizon 0,02% trong CCl4, lần ñầu dùng 2 ml, lần sau 1 ml. Sau mỗi lần thêm dithizon, phễu chiết ñược lắc trên máy 3 phút, giữ yên cho tách tướng rồi chuyển tướng hữu cơ vào phễu chiết sạch khác. Chiết lại tướng nước bằng dung dịch dithizon mới; dung dịch dithizon cũng ñược rót vào phễu chiết sạch trên.

Thêm vào phễu chiết chứa kẽm dithizonat 25 ml dung dịch ammoniac 0,01N, lắc 1-2 phút. Lớp kẽm dithizonat có màu ñược chuyển vào bình ñịnh mức khô 25 ml, rồi thêm CCl4 ñến vạch mức. ðo mật ñộ quang trong cuvet chiều dày 1 cm, tại bước sóng 536 nm, dung dịch so sánh là CCl4.

ðể xây dựng thang chuẩn cho vào các phễu chiết 0; 0,5; 1; 2; 3; 4; 5 ml dung dịch kẽm có nồng ñộ 1µg Zn/ml; thêm nước cất ñến 5 ml rồi cho vào 2 giọt metyl da cam và tiến hành phân tích như ñối với dung dịch thí nghiệm.

Kết quả phân tích tính theo công thức: X = b

a

X : Hàm lượng kẽm di ñộng trong ñất mg/kg

a : Lượng kẽm trong thể tích lấy ñể phân tích, tìm thấy theo ñường chuẩn µg

b : Khối lượng ñất tương ứng với thể tích mẫu lấy ñể phân tích (g).

Hóa chất:

Tất cả các hóa chất dùng ñể xác ñịnh kẽm ñều phải tinh chế cẩn thận bằng dithizon.

Dung dịch chuẩn kẽm: Cân 0,2 g kẽm kim loại tinh khiết trên cân phân tích cho vào bình ñịnh mức 1 lít và hòa tan trong lượng nhỏ nước cất hai lần có 1 ml H2SO4 ñặc (d = 1,84). Sau khi tất cả kẽm ñã hòa tan, dùng nước cất hai lần ñưa thể tích ñến vạch mức. Trong 1 ml dung dịch này chứa 200 µg kẽm. Pha loãng dung dịch này 200 lần ñược dung dịch chứa 1 µg Zn/ml.

Thang ñánh giá (mg Zn/ kg):

Rất nghèo

Nghèo

Trung bình

Giàu

Rất giàu

< 0,2

0,2 - 1,0

2 -3

4-5

>5

176

Ghi chú: ðối với ñất ngập nước có thể dùng HCl 0,05N làm dung dịch chiết rút: 10 g ñất và 20 ml HCl 0,05N. Lắc 5 phút rồi lọc.

9.2.7.5. Xác ñịnh coban di ñộng

Phương pháp dựa trên quá trình chiết coban di ñộng trong ñất bằng HNO3 1N. Tỷ lệ giữa ñất: dung dịch là 1:10, lắc trên máy lắc 1 giờ. Xác ñịnh coban bằng phương pháp ño màu dưới dạng phức màu với muối nitrozo-R.

Trình tự phân tích: Cân 10 g ñất khô không khí ñã rây qua rây 1 mm trên cân phân tích, cho mẫu vào bình tam giác nút nhám dung tích 250 ml. Thêm vào chính xác 100ml HNO3 1N lắc trên máy lắc 1 giờ, lọc qua giấy lọc băng trắng.

Lấy 25 ml dung dịch lọc cho vào cốc thủy tinh chịu nhiệt, thêm vào 1 ml HNO3 ñặc, 1 ml H2O2 chưng trên bếp ñiện ñến khô. Quá trình xử lý này ñược lặp lại một lần nữa và chưng dung dịch ñến khi bắt ñầu kết tinh muối. Rót vào cốc 6 ml nước cất hai lần ñã axit hóa bằng HCl (1:10), ñun dung dịch ñến sôi. Thêm vào 1 ml dung dịch natri xitrat 40% và ñun sôi khoảng 1 phút, pH của dung dịch cần phải lớn hơn 5,5 (kiểm tra theo giấy chỉ thị vạn năng). Nếu chưa ñạt ñến giá trị mong muốn, có thể dùng natri xitrat ñể ñiều chỉnh. Thêm vào dung dịch phân tích 1 ml dung dịch muối nitrozo-R 0,05% rồi ñun sôi. Nếu dung dịch phân tích có màu ñỏ vàng thì thêm tiếp 1ml dung dịch nitrozo-R nữa, 5 ml nước cất hai lần rồi ñun dung dịch ñến sôi. ðể dung dịch nguội, thêm vào 3 ml hỗn hợp H3PO4 và HNO3 (5 phần H3PO4 85% và 1 phần HNO3 ñặc), khuấy dung dịch nhanh và cẩn thận. Chuyển dung dịch vào bình chia ñộ rồi pha loãng ñến 10 ml. ðo phức màu của phức coban với muối nitrozo-R trong cuvet 2 cm, kính lọc màu xanh lá cây (536 nm), dung dịch so sánh là nước cất hai lần.

Thang chuẩn ñược chuẩn bị như sau: Cân 0,477 g CoSO4.7H2O cho vào cốc và hòa tan bằng nước cất hai lần. Chuyển dung dịch vào bình ñịnh mức 1 lít, axit hóa bằng 1ml H2SO4 (d = 1,84) rồi thêm nước cất hai lần ñến vạch mức.

Dung dịch nhận ñược chứa 100 µgCo/ml. Lấy 50 ml dung dịch này pha loãng bằng nước cất hai lần ñến thể tích 500 ml ñược dung dịch chứa 10 µgCo/ml, ñược dung dịch chuẩn sử dụng. Lấy các thể tích 0,5; 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9 ml dung dịch chuẩn sử dụng cho vào bình ñịnh mức 100 ml. Thêm nước cất hai lần ñến thể tích 50 ml, thêm 5 ml dung dịch natri xitrat 20% và 5 ml dung dịch natri axetat 40%, thêm 10ml dung dịch muối nitrozo-R 0,05% rồi ñun ñến sôi. ðể nguội, thêm vào 5 ml hỗn hợp HNO3 và H3PO4, ñịnh mức ñến vạch mức bằng nước cất hai lần. Tiến hành ño mật ñộ quang như ñối với dung dịch phân tích.

Kết quả phân tích ñược tính theo công thức:

X = N

b.a

X : Hàm lượng coban trong ñất (mg/kg)

N : Lượng ñất tương ứng với thể tích dung dịch lấy ñể phân tích (g)

a : Lượng coban tìm thấy theo ñồ thị chuẩn µg/ml.

b : Thể tích dung dịch so màu (ml)

Hóa chất:

axit nitric tinh khiết hóa học: Hút 68,9 ml HNO3 ñặc (d = 1,40) thêm nước cất 2 lần ñến thể tích 1 lít ñược dung dịch HNO3 1N.

Natri xitrat 3 lần thế (dung dịch 20%).

Natri axetat 40%.

177

Muối nitrozo-R (dung dịch nước 0,05%).

Hỗn hợp axit nitric và octhophotphoric: Hỗn hợp 2 axit trên theo tỷ lệ 100ml H3PO4 và 20ml HNO3.

H2O2. 9.2.7.6. Xác ñịnh molipñen di ñộng

Phương pháp so màu của Grigg (theo Dobritxcaia - 1969):

Cân mẫu ñất ñã rây qua rây 1 mm với lượng : 15 g ñối với ñất sét, 25 g ñối với ñất cát và cát pha; cho mẫu vào bình nút nhám, rót vào 150 ml hay 250 ml (tương ứng với lượng mẫu là 15 g hay 25 g) dung dịch ñệm oxalat của Grigg có pH = 3,3, lắc dung dịch 1 giờ. Lọc dung dịch qua giấy lọc băng trắng, lấy 125 ml hay 200 ml dung dịch cho vào cốc chịu nhiệt rồi cho dung dịch bay hơi tới khi thể tích dung dịch còn 1/4. ðể phá hủy các oxalat và chất hữu cơ trong dịch lọc người ta thêm vào cốc 3ml H2O2 30% và 3 ml HNO3 ñặc, tiếp tục chưng ñến khô. Thêm vào 5 ml nước cất hai lần rồi chưng khô ñể tách hết vết axit pecloric. Thêm vào tiếp 5 ml HCl 22% ñể chuyển muối sang dạng clorua rồi lại chưng dung dịch ñến khô. Hòa tan phần khô bằng cách ñun nóng trong 11 ml HCl 22%, chuyển dung dịch vào bình ñịnh nức 50 ml, thêm vào 15 ml dung dịch NaF 4% (ñể tạo phức với nhôm, sắt và titan), 5ml dung dịch natri nitrat 20% (ñể ngăn ngừa việc khử molipñen ñến hóa trị thấp hơn +5), thêm nước cất ñến vạch mức, khuấy ñều dung dịch. Chuyển toàn bộ dung dịch vào phễu chiết 100 ml, rửa thành bình bằng 2 - 3 ml nước, rồi rót cả vào phễu chiết trên. Thêm vào phễu chiết 4 ml kali thioxianat 20% (ñể tạo thành phức molipñen thioxianat), lắc ñều, cho vào phễu 3 - 4 ml dung dịch SnCl2 10%, lắc phễu và sau khi màu ñỏ nâu của phức sắt-thioxianat hoàn toàn mất (Fe3+ chuyển thành Fe2+) thì cho vào phễu chiết 20 ml dung dịch rượu n-butylic (ñã ñược rửa trước bằng nước và dung dịch thiếc clorua bão hòa) và ñể chiết phức molipñen thioxianat cần lắc mạnh phễu chiết 1 phút. ðể cho phân lớp rồi tách lớp nước phía dưới phễu chiết ra nhưng giữ lại khoảng 1 ml lớp nước. Phần chiết trong phễu có thể lại có màu hồng do một phần Fe2+ ñã ñược oxi của không khí oxi hóa chuyển thành Fe3+, vì thế cần phải rửa tiếp phần chiết bằng dung dịch muối thiếc bằng cách cho vào phễu chiết có phần chiết 20 ml dung dịch muối thiếc mới pha (2 ml SnCl2 10% + 18 ml nước), lắc ñều phễu chiết. Sau khi phần chiết hoàn toàn mất màu hồng thì tách bỏ lớp nước, còn phần chiết trong tướng hữu cơ cho vào cuvet 3 cm. Thêm vào cuvet 1 ml rượu etylic ñể loại những giọt nước còn lẫn và 1 - 2 giọt dung dịch muối thiếc, khuấy dung dịch trong cuvet cẩn thận bằng que thủy tinh nhỏ. Phần chiết lúc này sẽ trở nên trong suốt, không có màu hồng, ñem ño mật ñộ quang của phần chiết với kính lọc màu xanh nước biển (435 nm) (chỉ tiến hành ño mật ñộ quang ít nhất là sau 20 - 30 phút kể từ khi thêm rượu n-butylic). Dung dịch so sánh là rượu n-butylic, không xử lý bằng thiếc và nước.

ðường chuẩn ñược xây dựng như sau: Cho vào các bình ñịnh mức 50 ml các thể tích : 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0 và 5,0 ml dung dịch molipñen chuẩn có hàm lượng 1 µg Mo/ml; thêm vào mỗi bình 11 ml HCl 6N, 3 ml FeCl3 có hàm lượng 5 mg Fe3+/ml, khuấy cẩn thận các bình này rồi thêm nước cất ñến vạch mức. Sau ñó tiến hành như ñối với dung dịch phân tích.

Hóa chất:

Dung dịch ñệm oxalat: hòa tan 25 g amonioxalat và 12,6 g axit oxalic trong nước cất 2 lần khi ñun nóng rồi thêm nước cất ñến 1 lít.

Axit clohidric 22% (6N, d=1,1): Cất hỗn hợp gồm 550 ml HCl ñặc và 450 ml nước cất 2 lần trong dụng cụ cất làm bằng thủy tinh, thu ñược 500 ml HCl 22%.

Thiếc (II) clorua 10%: Nung chảy thiếc kim loại trong chén sứ và nghiền nhanh bằng chày sứ ñến khi nhận ñược bột thiếc mịn. Cân 5,3 g bột này và hòa tan khi ñun nóng trong 20 ml HCl 6N.

178

Dung dịch nên chuẩn bị trước khi dùng. Có thể chuẩn bị dung dịch này từ muối SnCl2 tinh khiết hóa học bằng cách hòa tan 10 g muối này khi ñun nóng trong 20 ml HCl 6N, sau ñó thêm một ít thiếc kim loại.

Rượu n- butylic: Rửa n-butylic bằng nước cất hai lần ñể loại hết chất oxi hóa có trong ñó, cho 250 ml rượu vào trong phễu chiết lớn, thêm vào 250 ml nước cất hai lần, lắc 1 phút, sau khi tách tướng, rót lớp nước phía dưới, còn lớp rượu tiến hành bão hòa bằng thiếc (II) clorua (cứ 100 ml rượu butylic thêm vào 10 ml SnCl2 10%, lắc 3 - 5 phút; thêm vào 5 ml rượu etylic, khuấy ñều).

Dung dịch chuẩn molipñen: Hòa tan muối amonimolipñat tinh khiết trong NH4OH ñặc khi ñun nóng liên tục (ở mọi thời ñiểm dung dịch ñều phải có phản ứng kiềm), sau ñó làm lạnh rồi kết tủa amonimolipñat bằng rượu etylic, cho kết tủa vào giữa những tờ giấy lọc ñể làm khô muối.

Lấy 5 - 6 g muối ñã kết tinh cho vào chén sứ rồi nung trong lò nung ở nhiệt ñộ 450 - 4800C trong thời gian 40 - 60 phút. Cân 1,5 g MoO3 thu ñược rồi hòa tan trong 10 ml NaOH 1N, thêm vào dung dịch 10 ml HCl 22%, dùng nước cất hai lần ñịnh mức ñến 1 lít. Ta ñược dung dịch chứa 1 mg Mo/ml. Pha loãng dung dịch này 1000 lần, ñược dung dịch chuẩn sử dụng.

Chú thích :

+ Có thể tách chất hữu cơ ra khỏi dung dịch phân tích bằng cách chưng thể tích mẫu ñến khô trên bếp cách thủy, sau ñó ñặt chén sứ với phần khô vào trong lò nung, nung ở 4500C trong 4 giờ.

+ Có thể dùng ete (tinh khiết hóa học) thay cho rượu n-butylic ñể chiết phức của molipñen với thioxianat. 9.2.7.7. Xác ñịnh dạng di ñộng của ñồng, kẽm, coban, mangan khi chiết rút các nguyên tố này trong ñất bằng dung

dịch ñệm amoni axetat

Phương pháp dựa trên sự chiết rút Cu, Co, Zn và Mn bằng dung dịch amoniaxetat (pH = 4,8). Tỷ lệ giữa ñất: dung dịch chiết rút là 1:5. Thời gian lắc trên máy lắc là 30 phút (Crupxky, 1994). Phương pháp này dùng cho ñất cacbonat và không cacbonat.

a. Chuẩn bị dung dịch ñệm: Dung dịch ñược chuẩn bị từ axit axetic và amoniac. Pha loãng 108ml axit axetic ñặc (98%) bằng nước cất 2 lần ñến thể tích 600 - 700 ml, thêm vào 75 ml NH4OH 25%, khuấy ñều; sau khi nguội ñưa thể tích dung dịch ñến 1 lít. Kiểm tra pH của dung dịch bằng pH meter. Axit axetic và amoniac dùng ñể chuẩn bị dung dịch ñệm cần phải tinh chế khỏi vết các kim loại nặng. Axit axetic ñược cất trong bình thủy tinh có sinh hàn nhám. Khi cất, cần thêm một lượng vừa phải natri axetat khan vào bình cất. Nồng ñộ axit ñược kiểm tra theo tỷ trọng.

ðể tinh chế amoniac khỏi vết các kim loại, người ta rót NH4OH 25% vào ñáy bình hút ẩm lớn, phần trên bình hút ẩm ñặt các cốc thủy tinh lớn ñã ñược rót vào nước cất hai lần ñến 1/2 thể tích cốc. ðậy nắp bình hút ẩm và giữ yên ít nhất là 48 giờ. ðể nhận ñược amoniac có nồng ñộ cao hơn cần xử lý nước bão hòa amoniac một lần nữa bằng cách thay dung dịch amoniac trong bình hút ẩm bằng dung dịch amoniac 25% mới. Nếu xử lý nước bão hòa amoniac 2 lần có thể nhận ñược amoniac có nồng ñộ 20%. Kiểm tra tỷ trong dung dịch amoniac nhận ñược, tính lượng amoniac, axit axetic cần thiết ñể pha dung dịch ñệm theo tỷ lệ ñã nêu trên.

b. Chiết rút các kim loại nặng: Cân trên cân phân tích 50 g ñất ñã rây qua rây 1mm, cho lượng cân trên vào bình tam giác nút nhám thể tích 500 ml, cho vào chính xác 250 ml dung dịch ñệm amoniaxetat, lắc trên máy lắc 1 giờ. Lọc qua giấy lọc băng trắng. Lấy 150 ml dung dịch lọc cho vào bát sứ, cho vào bát 10 ml HNO3 (d = 1,4), 10 ml H2O2 30%, rồi chưng dung dịch trong bát trên bếp cách thủy ñến trạng thái sệt. Thêm vào 2 ml HNO3, 2 ml H2O2 rồi chưng ñến khô. Hòa tan phần khô trong 50 ml nước cất hai lần (có 3 - 4 ml HCl cất lại 2 lần) khi ñun nóng. Lọc dung dịch thu ñược vào

179

bình ñịnh mức 100 ml, rửa giấy lọc bằng nước cất hai lần ñã ñược axit hóa bằng HCl. Dùng nước cất 2 lần ñưa thể tích dung dịch ñến vạch mức và lấy dung dịch này ñể xác ñịnh các kim loại nặng. Nếu xác ñịnh Zn, cần chuẩn bị phần dịch chiết rút riêng trong dụng cụ thạch anh. Sau ñó ñịnh lượng theo các phương pháp ñã nêu. 9.2.7.8. Xác ñịnh hàm lượng Cu, Pb, Zn di ñộng trong dung dịch chiết rút amoni axetat theo phương pháp Von-Ampe

hòa tan

Lấy 10 g ñất khô không khí cho vào bình tam giác 250 ml, thêm vào 100 ml dung dịch ñệm amoni axetat có pH = 4,8. Lắc trên máy lắc 1 giờ. Lọc dung dịch qua giấy lọc băng trắng. Lấy 80 ml dung dịch lọc cho vào cốc hay bát thạch anh, thêm vào 1 ml HNO3 ñặc và chưng trên bếp ñiện ñến trạng thái sệt. Thêm vào 2 ml HNO3 ñặc nữa, rồi lại chưng dung dịch trong cốc. Quá trình xử lí mẫu bằng HNO3 tiến hành ñến khi phần còn lại chứa ít nước có màu trắng hay màu vàng sáng. Sau ñó chưng lượng chứa trong cốc ñến khô, “xới nhẹ” phần khô bằng HCl ñặc rồi chưng dung dịch trong cốc ñến trạng thái muối ẩm. Hòa tan muối khi ñun nóng trong 20 ml nước cất hai lần ñã ñược axit hóa bằng HCl (1:100). Lọc dung dịch qua giấy lọc ñã ñược rửa trước bằng HCl loãng, hứng dung dịch lọc vào trong bình ñịnh mức 50 ml. Rửa phần còn lại trên giấy lọc bằng nước cất nóng ñã axit hóa rồi ñưa thể tích dung dịch ñến vạch mức.

ðể xác ñịnh ñồng, kẽm, chì, người ta lấy 8 ml dung dịch cho vào cốc dung tích 50 - 100 ml, thêm vào 0,5 ml dung dịch Cd (4 µg/ml) dùng làm dung dịch chuẩn trong, một lượng nhỏ axit ascorbic. Khuấy ñều dung dịch ñể hòa tan hoàn toàn axit ascorbic. Thêm vào trong cốc 1,5 ml dung dịch ñệm amoni axetat (NH4OH 1M; NH4Cl 2,7M, CH3COOH 2M) chuyển dung dịch vào bình ñiện phân tạo giọt thủy ngân; cho hiñro (hay nitơ) qua dung dịch rồi tiến hành ñiện phân tại thế -1,2 V trong 3 phút. Sau ñó ngừng cho hiñro qua; giữ yên dung dịch 30 giây, bắt ñầu ghi ñường biểu diễn quá trình hòa tan anot các kim loại ñồng, chì, kẽm. Sau khi ghi ñược mỗi một pic ñều cần dừng không cho thế biến thiên trong một khoảng thời gian ngắn. Nồng ñộ của nguyên tố ñược xác ñịnh theo phương pháp ñường chuẩn.

9.3. Sử dụng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử ñể xác ñịnh các kim loại nặng

Từ khi quang phổ hấp thụ nguyên tử ra ñời, nhiều nhà nghiên cứu ñã vận dụng ñể xác ñịnh lượng vết các nguyên tố trong các ñối tượng khác nhau.

L.A.Lerner và D.N.Ivanov 1970 ñã xác ñịnh hàm lượng ñồng, kẽm, mangan, coban trong các dung dịch chiết rút ñất: HCl 1N; HNO3 1N; HCl 0,1N; HNO3 0,1N; H2SO4 0,1N; CH3COOH 0,5N; CH3COONH4 1N; dung dịch ñệm amoni axetat (pH = 4,8).

Những số liệu nhận ñược chỉ ra rằng: có thể xác ñịnh trực tiếp Mn trong tất cả các dung dịch chiết rút trên; kẽm trong tất cả các dung dịch chiết rút trên trừ amoniaxetat; ñồng và coban chỉ trong 2 dung dịch chiết rút HCl 1N và HNO3 1N.

Khi dùng các dung dịch axit mạnh khác nhau về tính chất nhưng có cùng nồng ñộ ñương lượng, ñể chiết rút các kim loại nặng thì kết quả xác ñịnh hàm lượng của chúng rất gần nhau.

Khi sử dụng dung dịch KCl 1N, chế ñộ cháy của ngọn lửa bị vi phạm nhiều.

Tỷ lệ giữa ñất và dung dịch chiết rút là 1:10, thời gian lắc là 1 giờ.

Dãy các mẫu ñầu của các nguyên tố cần xác ñịnh ñược chuẩn bị bằng cách hòa tan các muối tinh khiết của các nguyên tố cần xác ñịnh trong các dung dịch chiết rút tương ứng. ðôi khi có thể tiến hành phân tích theo các mẫu ñầu trong nước.

180

ðộ nhạy khi xác ñịnh các nguyên tố như sau:

Nguyên tố Vạch phân tích (A0)

Dòng của ñèn (µA)

Chiều rộng của khe (µm)

Chiều cao của chùm sáng ñi qua trên phần trên của ñèn

khí (mm)

ðộ nhạy µg/ml/1%

Cu

Co

Zn

Mn

3247,54

2407,25

2138,56

2794,82

8

20

10

14

50

25

300

100

2

2

2

2

0,05

0,1

0,02

0,07

Khi các ñiều kiện làm việc của các thiết bị ñã ổn ñịnh, thì qua vòi phun, ñưa các dung dịch mẫu ñầu và dung dịch phân tích vào trong ngọn lửa rồi xác ñịnh các giá trị mật ñộ quang D tương ứng.

Theo các giá trị mật ñộ quang thu ñược và nồng ñộ các mẫu ñất tương ứng, vẽ ñồ thị chuẩn trên hai trục; dựa vào giá trị mật ñộ quang ño ñược của mẫu phân tích và ñường chuẩn người ta xác ñịnh ñược nồng ñộ của nguyên tố cần phân tích.

Khi xác ñịnh các nguyên tố có nồng ñộ cao thì mật ñộ quang tương ứng DL của các nguyên tố ñó sẽ có giá trị cao hơn ñáng kể so với giá trị mật ñộ quang của sự hấp thụ không chọn lọc Dφ (DL ≈ Dφ), khi ñó cần phải hiệu chỉnh kết quả giá trị sự hấp thụ không chọn lọc.

Sự hiệu chỉnh kết quả theo sự hấp thụ không chọn lọc ñược thực hiện như sau: Sau khi ño các giá trị mật ñộ quang (DL+φ) theo các vạch hấp thụ của các nguyên tố tương ứng, tiến hành xác ñinh giá trị mật ñộ quang Dφ, khi sử dụng dải phổ liên tục của ñèn hiñro, hay là những vạch không hấp thụ của sắt (những vạch gần với các vạch phân tích) ñược phát ra từ ñèn phóng ñiện kép nhiều nguyên tố. Mật ñộ quang DL của nguyên tố cần xác ñịnh sẽ bằng DL = DL+φ - Dφ. Sử dụng giá trị DL và ñồ thị chuẩn ñã vẽ xác ñịnh ñược nồng ñộ chưa biết. Sự hiệu chỉnh theo sự hấp thụ không chọn lọc gắn liền với việc thực hiện hai quá trình ño liên tục khi nghiêm ngặt tuân theo tất cả các ñiều kiện phân tích.