nghiên cứu và khảo sát các điều kiện tối ưu chế tạo cột khử cadimi trong phân tích nitrat

Trong bộ môn thực hành phân tích môi trường tại trường Đại Học Sư Phạm Đà Nẵng, chúng tôi gặp rất nhiều khó khăn trong việc xác định hàm lượng nitrat trong mẫu nước.. - Áp dụng quy trình

SVTH: Trần Lê Vân Thanh Trang 1

SVTH: Trần Lê Vân Thanh Trang 2

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Nitrat là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng sản phẩm cũng như nguồn nước Nitrat đi vào cơ thể con người là một chất tiền ung thư, làm hạ đường huyết, gây xẩy thai, quái thai ở phụ nữ có mang cũng như bệnh xanh da ở trẻ em Đối với môi trường nước, nitrat là một trong những yếu tố gây ra hiện tượng phú dưỡng làm ảnh hưởng và đe dọa nghiêm trọng đến hệ sinh thái trong môi trường

Hiện nay, đã có rất nhiều phương pháp định lượng nitrat như trắc quang, điện hóa và sắc ký Đặc biệt là ở các phòng thí nghiệm đơn giản thì trắc quang là một trong những phương pháp chủ đạo

Trong bộ môn thực hành phân tích môi trường tại trường Đại Học Sư Phạm Đà Nẵng, chúng tôi gặp rất nhiều khó khăn trong việc xác định hàm lượng nitrat trong mẫu nước Phương pháp trắc quang với thuốc thử axit phenol disunfonic cũng như thuốc thử natri salixylat bị cản trở bởi nhiều yếu tố ảnh hưởng như ion NO2-, Cl-, Ca2+, Mg2+ nên việc phân tích đạt độ chính xác không cao

Phương pháp chuẩn trên thế giới hiện nay trong việc xác định nitrat như ASTM

3867 – 99 và Standard Methods for the Examination of water and wastewater 4500 – NO3- Các phương pháp này kết hợp sử dụng cột khử Cd cùng với máy quang trắc UV-VIS có thể cho hiệu suất phân tích trên 91±1% và không có nhiều các yếu tố ảnh hưởng Vì vậy, chúng đáp ứng yêu cầu cho các mẫu có hàm lượng nitrat thấp từ 0.01 đến 1 mg NO3-/l

Để hiểu rõ hơn nguyên tắc làm việc của cột khử Cd và khảo sát các điều kiện tối

ưu cho quy trình phần tích thực tế, chúng tôi đã chọn đề tài “ Nghiên cứu và khảo sát các điều kiện tối ƣu chế tạo cột khử Cadimi trong phân tích nitrat” dưới sự hướng dẫn của

ThS Phạm Thị Hà

SVTH: Trần Lê Vân Thanh Trang 3

2 NỘI DUNG ĐỀ TÀI

- Xử lý hạt Cadimi và nhồi cột khử Cd-Cu

- Khảo sát các điều kiện tối ưu xác định cột khử

- Đánh giá hiệu suất thu hồi quá trình phân tích

- Đánh giá sai số thông kê của phương pháp

- Áp dụng quy trình phân tích để xác định hàm lượng nitrat trong một số sản phẩm sữa trên thị trường

SVTH: Trần Lê Vân Thanh Trang 4

+, mặc dù chỉ chiếm tỷ lệ nhỏ dòng nitơ trên toàn cầu, quá trình cố định đạm là nguồn cung cấp nitơ cao nhất cho cả 2 nơi sống ở cạn và ở nước NH4

+ chỉ được các thực vật sử dụng hạn chế, hầu hết nitơ được tích luỹ dưới dạng NO3

Thường thì lượng nitrat này không đủ để tạo dưỡng dưỡng chất nuôi lớn cây trồng, nên người ta phải bón phân chứa nitrat thêm cho đất Tuy nhiên, lượng nitrat trong đất không ổn định, nó phụ thuộc vào chu trình sinh trưởng của cây xanh Nếu cây xanh cần nhiều nitrat thì lượng nitrat tích tụ trong đất ít và ngược lại

-1.1.1.2 Nitrat trong nước

Nitrat phân bố trong nước không đều nhau Do tác động của quá trình nitrat hóa trong nước khiến cho hàm lượng nitrat bên trên có hàm lượng cao hơn có khi tới vài chục mg/l Trong khi đó lớp nước ở tầng trong và sâu hơn thì hàm lượng nitrat lại rất nhỏ, có khi chỉ vài mười hay vài chục mg/l

Nitơ có trong nước thải dưới 4 hình thức khác nhau:

 Nitơ hữu cơ (amino acids, proteins, purines, pyrimidines và nucleic acids)

SVTH: Trần Lê Vân Thanh Trang 5

Khi bón phân đạm cho cây trồng sẽ có một lượng nhỏ tích tụ trong đất và tan vào trong nước ngầm Vì vậy, không chỉ trong nước thải mà cả trong nước ngầm cũng có thể có nitrat

1.1.1.3 Nitrat trong sản phẩm từ động vật

Các sản phẩm từ thịt tham gia vào quá trình lên men tạo ra H2S, NH3 Các chất này không những gây biến đổi thực phẩm mà còn ảnh hưởng đến sức khỏe con người

Trong thịt, nitrit làm chậm quá trình phát triển của botulinal toxin, độc tố làm

hư thịt, làm gia tăng màu sắc và hương vị của thịt ướp, làm chậm quá trình ôi, trở mùi, mất mùi của sản phẩm thịt Các muối nitrit sodium hay potassium, hay nitrat sodium, potassium thường được sử dụng để xử lý, ướp thịt làm jambon, xúc xích Các chất này tỏ

ra rất hữu hiệu trong việc ngăn cản sự phát triển hoặc để diệt vi khuẩn, đặc biệt là khuẩn clostridium botulinum trong đồ hộp

Trong quá trình ướp, một chuỗi phản xảy ra biến nitrat thành nitrit, rồi thành oxid nitric Nito oxit kết hợp với myoglobin (chất màu làm cho thịt không ướp có màu đỏ

tự nhiên) làm thành nitric oxid myoglobin, có màu đỏ sậm (như màu lạp xưởng) Màu đỏ sậm này sẽ biến thành màu hồng nhạt đặc trưng khi gia nhiệt trong quá trình chế biến hay xông khói thịt

Cơ chế tạo màu đỏ của thịt khi có mặt của nitrite, nitrate:

KNO3  KNO2 Trong môi trường pH thấp:

KNO2  HNO2HNO2  NO Nito oxit kết hợp với myoglobin tạo sản phẩm có màu đỏ sẫm

NO + myoglobin  Nomyoglobin (màu đỏ sẫm)

1.1.1.4 Nitrat trong thực vật

Trong quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng, nitơ là một trong những yếu tố dinh dưỡng cơ bản cần thiết Trong quá trình trồng rau quả, người trồng sử dụng phân đạm bón cho cây nhằm mục đích kích thích sự phát triển của cây Khi cung cấp không đủ hàm lượng nitơ cần thiết, quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng sẽ bị hạn chế hoặc ngưng hoàn toàn

SVTH: Trần Lê Vân Thanh Trang 6

Quá trình trao đổi nitơ xảy ra trong toàn bộ đời sống cây trồng nhưng thay đổi tùy thuộc vào từng giai đoạn sinh trưởng và phát triển khác nhau Trong điều kiện dinh dưỡng nitơ tối ưu, tốc độ sinh trưởng của cây trồng được thúc đẩy nhanh hơn và quá trình hóa già có thể chậm lại Khi lượng NO3

trong cây thiếu hụt, nó sẽ được đáp ứng bằng cách oxy hóa NH3 Đây là quá trình nitrat hóa Quá trình này xảy ra mạnh trong điều kiện ẩm độ của đất đạt 60-70%, nhiệt độ từ 25-30o

-C và pH = 6,2-9,2

Các chất hữu cơ và vô cơ chứa đạm dưới nhiều dạng khác nhau, tùy theo dạng đạm, chúng được chia thành các dạng NO3

, NO2-, NH4+ Một số cây trồng có khả năng tích lũy một lượng lớn NH3 trong suốt giai đoạn sinh trưởng của nó mà không gây hại cho cây Các kết quả phân tích cho thấy có sự liên quan giữa năng suất thu hoạch và hàm lượng nitrat (lượng đạm bón càng cao thì năng suất cây trồng cũng tăng cao) nhưng lại tích lũy một lượng thừa nitrat trong nông phẩm

-Khi bón phân cho cây, các loại phân đạm được sử dụng sẽ bị các vi khuẩn trong đất chuyển hoá thành NH4

+

và NO3- để cho cây hấp thụ Nitrat và amoni một phần chủ yếu được cây hấp thụ, một phần giải phóng ra ngoài khí quyển dưới dạng N2, NH3 và phần còn lại tích tụ trong đất và tan trong nước ngầm

Nguyên nhân gây phú dưỡng là sự thâm nhập một lượng lớn N, P từ nước thải sinh hoạt của các khu dân cư, sự đóng kín và thiếu đầu ra của môi trường hồ Sự phú dưỡng nước hồ đô thị và các sông kênh dẫn nước thải gần các thành phố lớn đã trở thành hiện tượng phổ biến ở hầu hết các nước trên thế giới Hiện tượng phú dưỡng hồ đô thị và kênh thoát nước thải tác động tiêu cực tới hoạt động văn hoá của dân cư đô thị, làm biến đổi hệ sinh thái nước hồ, tăng thêm mức độ ô nhiễm không khí của đô thị

SVTH: Trần Lê Vân Thanh Trang 7

1.1.3 Độc tính của nitrat đối với sức khỏe con người

Trong các cây lương thực như lúa mì, ngô, đậu xanh thì hàm lượng nitrat thấp Còn trong các loại rau ăn, nhất là bắp cải, súp lơ có hàm lượng nitrat cao

Hàm lượng nitrat trong lương thực, rau quả liên quan chặt chẽ tới lượng phân đạm sử dụng Nếu bón phân vừa đủ, cây cối phát triển tốt và lượng nitrat dư thừa trong đất còn rất ít, không đáng kể Nếu bón phân vượt quá lượng đạm cần thiết thì lượng nitrat dư thừa trong đất tăng lên Lượng nitrat dư thừa này sẽ đi vào các nguồn nước mặt, nước ngầm gây ô nhiễm, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ con người NO3

khi vào cơ thể người tham gia phản ứng khử ở dạ dày và đường ruột do tác dụng của các men tiêu hoá sinh ra

-NO2

- Nitrit sinh ra phản ứng với Hemoglobin tạo thành methaemoglobinemia làm mất khả năng vận chuyển oxi của Hemoglobin

Thông thường Hemoglobin chứa Fe2+

, ion này có khả năng liên kết với oxi Khi

có mặt NO2- nó sẽ oxi hoá Fe2+ thành Fe3+ làm cho hồng cầu không làm được nhiệm vụ chuyển tải O2 Nếu duy trì lâu sẽ dẫn tới tử vong

4HbFe2+(O2) + 4NO2- + 2H2O  2HbFe3+ + OH- + 4NO3- + O2

Sự tạo thành methaemoglobinemia đặc biệt thấy rõ ở trẻ em Trẻ em mắc chứng bệnh này thường xanh xao ( bệnh Blue baby ) và dễ bị đe doạ đến cuộc sống đặc biệt là trẻ dưới 6 tháng tuổi

Ngoài ra, NO2

trong cơ thể dễ tác động với các amin tạo thành nitrosamine- một hợp chất tiền ung thư Các hợp chất nitroso được tạo thành từ amin bậc hai và axit nitrơ ( HNO2) có thể trở nên bền vững hơn nhờ tách loại proton để trở thành nitrosamine

-Các amin bậc ba trong môi trường axit yếu ở pH = 3- 6 với sự có mặt của ion nitrit chúng dễ dàng phân huỷ thành anđehit và amin bậc hai Sau đó amin bậc hai tiếp tục chuyển thành nitrosamin:

SVTH: Trần Lê Vân Thanh Trang 8

Các amin bậc hai thường xuất hiện trong quá trình nấu rán thực phẩm giàu protein hay quá trình lên men Nitrit có trong rau quả vào khoảng 0,05 - 2 mg/kg Khi dùng thực phẩm hay nguồn nước chứa hàm lượng nitrit vượt quá giới hạn cho phép sẽ gây ngộ độc, ở liều lượng cao có thể gây chết người

Vì vậy những thực phẩm và các nguồn nước có chứa nitrat và nitrit cao cần phải loại bỏ và việc xác định hàm lượng nitrat của chúng có ý nghĩa rất quan trọng trong việc đánh giá chất lượng nước, chất lượng nông sản và rau quả

Bảng 1.1 Hàm lượng Nitrat cho phép trong một số loại rau quả tươi theo tiêu chuẩn

của tổ chức Y Tế Thế Giới (WHO)

SVTH: Trần Lê Vân Thanh Trang 9

Bảng 1 2 Quyết định của Bộ Trưởng Bộ Y Tế về “ Danh mục tiêu chuẩn vệ sinh đối

với lương thực, thực phẩm “ Số 867/1998/QĐ-BYT

STT Chỉ số

quốc tế

Tên phụ gia

500mg/kg, dùng một mình hay kết hợp với Natri nitrat

2 249 Kali nitrit

Thịt hộp, thịt nguội, lạp xưởng, jambon

125mg/kg, dùng một mình hay kết hợp với Kali nitrit

3 250 Natri nitrit

Thịt hộp, thịt nguội, lạp xưởng, jambon

125mg/kg, dùng một mình hay kết hợp với Kali nitrit

4 251 Natri nitrat

Thịt hộp, thịt nguội, lạp xưởng, jambon

500mg/kg, dùng một mình hay kết hợp với Kali nitrat

Theo đánh giá của tổ chức y tế thế giới WHO thì hàm lượng NO3

trong nước ngầm sử dụng cho cấp nước sinh hoạt ở hầu hết các nước phát triển đang tăng lên

-Bảng 1 3 Tiêu chuẩn hàm lượng nitrat trong nước uống của một số tổ chức trên thế

SVTH: Trần Lê Vân Thanh Trang 10

Bảng 1.4 Tiêu chuẩn kĩ thuật quốc gia về nước ăn uống ( QCVN 0.1: 2009/BYT)

Phương pháp thử

26 Hàm lượng

nitrat

6180-1996 (ISO 7890-1988)

1.1.4 Tính chất hóa học của nitrat [1]

Các muối nitrat đều tan trong nước và không có màu

Các muối của ion kiềm mạnh có tính trung tính, còn với ion kiềm yếu thì có tính axit

Các muối của axit nitric thì dễ bị phân hủy khi đun nóng Các muối của kim loại kiềm thì chuyển thành muối nitric

2NaNO3  2NaNO2 + O2Nitrat bị phân hủy và tạo khí nito oxit khi nung mạnh nitrat của tất cả các kim loại quý và một số kim loại khác thì kim loại tự do sẽ được giải phóng

Hg(NO3)2  Hg + 2NO2 + O2Trong môi trường axit, các ion nitrat có tính oxi hóa mạnh Độ hoạt tính của ion tăng lên khi pH của môi trường tăng

NO3 - + e- + H+  NO2 + H2O

NO3

- + 3e- + 4H+  NO +H2O

NO3- + 8e- + 10H+  NH4+ + 3H2O Chúng oxi hóa hầu như tất cả các kim loại và không kim loại, chuyển các nguyên tố

từ trạng thái có mức oxi hóa thấp lến trạng thái có mức oxi hóa cao

Do tính chất oxi hóa trong môi trường acid, nitrat còn có khả năng nitro hóa với một

số chất hữu cơ như: acid sulfosalicilic, diphenylamin, antipyrin Khi chuyển về môi trường

SVTH: Trần Lê Vân Thanh Trang 11

kiềm sản phẩm của quá trình nitro hóa sẽ có màu Đây là cơ sở cho phản ứng định lượng nitrat bằng phương pháp trắc quang

Hỗn hợp axit nitric với axit clohidric theo tỉ lệ 1:3 gọi là nước cường toan Nước cường toan là một trong những hỗn hợp có tính oxi hóa mạnh, dùng để chuyển những hợp chất khó tan thành dung dịch

Tác dụng mạnh của hỗn hợp này dựa trên cơ sở sau:

- Thứ nhất do sự oxi hóa, một mặt của clo được giải phóng, thứ hai axit nitric tác dụng với axit clohidrit taọ thành nitrozil clorua

HNO3 + 3HCl  NOCl + Cl2 + 2H2O

- Thứ hai là do sự tạo thành phức của các ion clo

Au + HNO3 + 3HCl + HCl  HAuCl4 + NO + 2H2O 3Pt + 4(HNO3 + 3HCl) + 6HCl  3H2[PtCl6] + 4NO + 8H2O

1.2 Các phương pháp định tính nitrat [1]

1.2.1 Phản ứng khử nitrat bằng kẽm hoặc nhôm

Tùy thuộc vào môi trường của mẫu phân tích mà ta tiến hành phản ứng khử với kim loại kẽm hoặc kim loại nhôm

Đối với môi trường kiềm mạnh, ta sử dụng kẽm kim loại còn bột nhôm cần tiến hành trong môi trường kiềm yếu Vì phản ứng này xảy ra rất mãnh liệt

4Zn + NO3- + 7OH-  4ZnO2

2- + NH3 + H2O 8Al + 3NO3- + 11OH-  8AlO2- + 3NH3 + H2O Khí NH3 tạo thành sẽ làm giấy tẩm chỉ thị phenolthalein chuyển sang màu hồng Các ion có chứa nitơ như CN-

, SCN-, [Fe(CN)6]3- cũng bị phân hủy thành NH3 trong điều kiện này Vì vậy, cần loại trừ bằng Ag2SO4 được thêm vào dung dịch nghiên cứu đã được axit hóa bằng axit axetic Lọc bỏ các kết tủa xianua, thioxianua và các muối bạc khác Phần ion bạc dư được loại trừ bằng NaOH

Trong môi trường axit yếu với pH=3 (không có mặt NO2

-), nitrat bị khử thành nitrit

và được phát hiện bằng bất cứ phản ứng nào định tính NO2

-1.2.2 Phản ứng với thuốc thử Diphenylamin

Ion nitrat tạo sản phẩm màu xanh với diphenylamin trong môi trường axit H2SO4 Sản phẩm tạo thành là do axit nitric oxi hóa diphenylamin

SVTH: Trần Lê Vân Thanh Trang 12

Phương pháp chỉ được dùng để định tính nitrat khi không có mặt ion nitric vì nó cũng tạo ra phản ứng này

Ngoài ra phương này cũng chịu nhiều yếu tố cản trở Diphenylamin dễ bị oxi hóa bởi các ion như MnO4

, Cr2O72- ,ClO3-, BrO3-, [Fe(CN)6]3-

-1.2.3 Phản ứng với sắt (II) sunfat

Ion nitrat tạo phức màu vàng nâu với tinh thể nhỏ sắt(II) sunfat trong môi trường axit mạnh Khi lấy 2 giọt dung dịch sắt(II) sunfat và một tinh thể nhỏ vào một ống nghiệm Sau đó thêm vào 1 giọt H2SO4 đặc thì tại ranh giới giữa 2 chất lỏng xuất hiện màu vàng nâu

Thí nghiệm này dựa trên phản ứng của muối sắt (II) sunfat khử nitrat đến nito oxit, chất này tạo phức với với muối sắt tạo phức [Fe(NO)]SO4 làm dung dịch nhuốm màu nâu

Thí nghiệm cần tiến hành trong môi trường axit mạnh, có thể dùng tinh thể FeSO4hoặc dung dịch FeSO4 đặc

Các ion nitric cũng cho phản ứng tương tự như nitrat trong môi trường axit yếu như dung dịch axit axetic

Sản phẩm phức tạo thành rất không bền và dễ phân hủy khi đun nóng Vì vậy cần tiến hành phản ứng khi nguội

Ngoài ra, các ion ClO-, I-, Br- và các anion khác cũng ngăn cản quá trình tiến hành của phản ứng

1.3 Các phương pháp định lượng nitrat

Có thể nói từ khi con người nhận thấy tác hại của sự nhiễm độc nitrat đối với môi trường sống và sức khỏe, đã có vô số phương pháp xác định nitrat ra đời Tùy từng đối tượng cụ thể và hàm lượng nitrat có trong đó mà ta sử dụng những phương pháp thích hợp

Ở nước ta, phương pháp trắc quang vẫn là phương pháp chủ lực và phổ biến Bên cạnh đó, phương pháp điện hóa, sắc ký là những phương pháp được xem là mới mẻ trong lĩnh vực định lượng nitrat

1.3.1 Phương pháp phân tích thể tích

 Nguyên tắc

SVTH: Trần Lê Vân Thanh Trang 13

Người ta có thể xác định nitrat theo phương pháp này dựa trên phản ứng khử

được chuẩn độ bằng dung dịch Cr2O72- với chất chỉ thị là ferroin Các phản ứng xảy ra như sau:

NO3 - + 3Fe2+ + 4H+  NO + 3Fe3+ + 2H2O 2Fe2+ + Cr2O72- + 14H+  6Fe3+ + 2Cr3+ + 7H2O Phản ứng giữa Fe2+

và NO3- xảy ra nhanh hơn khi đung nóng dung dịch và có mặt của lượng dư axit H2SO4 65%

 Ưu điểm

Đơn giản, dễ thực hiện

Cho phép xác định lượng NO3- với nồng độ cao

Độ chính xác không cao do sai số của chất chỉ thị

1.3.2 Các phương pháp điện hóa

1.3.2.1 Phương pháp điện cực màng chọn lọc ion

 Nguyên tắc

Nồng độ nitrat tỉ lệ thuận với thế đo được được từ hệ gồm 2 điện cực là điện cực

so sánh và điện cực màng chọn lọc ion Các ion sẽ di chuyển từ nơi có nồng độ cao đến nơi

có nồng độ thấp Bằng phương pháp này, ta có thể xác định được hàm lượng nitrat trong khoảng từ 10-1

SVTH: Trần Lê Vân Thanh Trang 14

Sự có mặt của ion Cl

-, HCO3

, NO2 -, CN-, S2

, Br-, I- sẽ gây ảnh hưởng đến thế điện cực

-Ngoài ra thế điện cực chỉ phụ thuộc vào hoạt độ mà không phải nồng độ Vì vậy

ta cần chọn môi trường nền thích hợp để thu được kết quả chính xác nhất

-Sự sai biệt ΔI giữa dòng I1 và I2 tỉ lệ với hàm lượng nitrat Bằng cách xây dựng

đồ thị chuẩn dựa vào giá trị ΔI ta có thể phân tích mẫu chứa hàm lượng Nitrat – Nitơ trong khoảng 0.1 – 25ppm Độ tin cậy của phương pháp là 95%

- Phương pháp cực phổ gián tiếp

Đây là phương pháp dựa trên sự khử những hợp chất Nitro tạo thành từ phản ứng Nitro hóa giữa NO3- và các chất có chứa vòng thơm Phương pháp này được thực hiện tương tự như phương pháp trắc quang nghĩa là sau khi sản phẩm Nitro hóa tạo thành thay

vì hiện màu để đo quang thì dùng phương pháp cực phổ để xác định Ở đây, các thuốc thử hữu cơ thông dụng trong phương pháp trắc quang để xác định như acid sulfosalicilic, phenol, 2,6 – xylenol được sử dụng trong phép phân tích bằng cực phổ

 Nguyên tắc

SVTH: Trần Lê Vân Thanh Trang 15

Trong môi trường axit, nitrat tham gia phản ứng nitro hóa với các hợp chất có chứa vòng thơm Sản phẩm của quá trình Nitro hóa sẽ bị khử trên điện cực giọt thủy ngân Cường độ dòng giới hạn khuếch tán tỉ lệ với nồng độ của các Nitroaromatic, do đó cũng sẽ tăng theo hàm lượng của NOcó trong dung dịch

Phản ứng giữa ion NO3

- với 2,6 – xylenol : HNO3 + H2SO4  NO2+ + HSO4- + H2O

OH

CH3C

H3

+ 5H+ + 4e

OH

CH3C

độ tinh khiết trong dung dịch

Với thuốc thử acid sulfosalicilic dạng sóng thu được gồm 2 bước Nhưng khi dùng thuốc thử 2,6 – xylenol trên cực phổ đồ chỉ có một sóng khử Riêng đối với chất thơm tùy thuộc vào đối tượng phân tích mà ta quan sát được 2 hoặc 1 sóng

 Ưu điểm

Độ nhạy cao, cho phép xác định đến 10-6

M và khoảng tuyến tính rộng từ10-6

10-3 M

SVTH: Trần Lê Vân Thanh Trang 16

Phép phân tích được thực hiện mà không cần quan tâm đến mẫu đục hoặc có màu Đối với mẫu phân tích có chứa nhiều protein như các mẫu sinh học, phép phân tích cực phổ tỏ ra ưu điểm hơn hẳn các phương pháp trắc quang Trong phương pháp quang phản ứng hiện màu xảy ra trong môi trường kiềm mạnh nên rất dễ tạo thành kết tủa hidroxit kim loại gây khó khăn cho việc phân tích Trong phương pháp cực phổ chất điện

ly nền là axit, là môi trường hòa tan tốt các ion kim loại ảnh hưởng nên nhược điểm của phương pháp trắc quang được khắc phục

Mặc dù một số yếu tố gây ảnh hưởng đến kết quả phân tích trong phép đo quang cũng có hiệu ứng tương tự trong phương pháp cực phổ nhưng biện pháp loại trừ chúng đơn giản và ít tốn kém hơn Nitrit thường là ion gây nhiễu nhiều nhất trong phép phân tích trắc quang xác định nitrat, lại không gây ảnh hưởng trong phương pháp cực phổ này

Quy trình phân tích đơn giản dễ thực hiện

 Nhược điểm

Oxi tạo sóng khử trong vùng thế khảo sát nhưng có thể loại trừ đơn giản bằng cách dùng khí trơ như N2 hoặc Ar để đuổi Cũng như phương pháp quang, phương pháp cực phổ bị ảnh hưởng mạnh bởi ion Cl-do nitrat tham gia phản ứng oxi hóa khử với anion clorua tạo nitrosylclorua

 Phương pháp cực phổ xung vi phân xác định đồng thời nitrat và nitrit

-Phương pháp này cho phép xác định nitrat trong khoảng nồng độ từ 2.0*10-5

M đến 1.6*10-4

SVTH: Trần Lê Vân Thanh Trang 17

Yt(III) hoàn toàn giống như ion NO3

- nhưng lại cho pic có thế từ -1.33V đến - 1.37V (SCE)

 Nhược điểm

Các ion F- , SO4 2- ,CO3 2- thường làm thế của pic dịch chuyển về phía âm hơn chủ yếu là do các ion này tạo phức tan với Yt(III) Sự có mặt của ion PO43- làm kết tủa Yterbium (III)

Quy trình phân tích đơn giản, độ nhạy và độ chọn lọc cao nhưng hóa chất hiếm

và Cd2+ Dòng khử xuất hiện tại thế -1.0V (SCE) sẽ tỷ lệ với hàm lượng nitrat Trong dung dịch nền 0.1M NaH2PO4, 10μM CdCl2 và 50μM CuCl2 đường chuẩn tuyến tính trong khoảng hàm lượng nitrat từ 62ppb – 62ppm Với nồng độ lớn hơn, bằng cách thay đổi thành phần chất điện ly nền 0.1M HCl, 0.2mM CdCl2, 1.0mM CuCl2 khoảng tuyến tính sẽ được mở rộng đến 620ppm

 Ưu điểm

Phương pháp này tương tự như phương pháp trắc quang sử sụng cột khử Cd có phủ đồng nhưng nhờ lớp Cd - Cu được điện phân ngay trên bề mặt điện cực mà hoạt tính khử nitrat đến khả năng tối ưu, kết quả phân tích có độ lặp lại cao

Khoảng tuyến tính rộng, giới hạn phát hiện thấp

 Nhược điểm

Nitrit gây ảnh hưởng đến kết quả phân tích, ngoài ra nếu có mặt ion Fe3+

sẽ tạo kết tủa với NaH2PO4, kết tủa này có thể hấp phụ lên bề mặt điện cực gây sai số lớn

1.3.3 Phương pháp sắc ký trao đổi ion

SVTH: Trần Lê Vân Thanh Trang 18

pha tĩnh là cột sắc ký trao đổi ion Waters IC-PacTM Anion HC 150 x 4.6 mm column Hệ thống sắc ký này làm việc với tốc độ dòng là 1ml/phút với detecto là máy đo quang UV-VIS tại bước sóng 205nm Dung tích mẫu là 40 µL

Dựa vào thời gian lưu của ion NO3

và ion NO2- trong dung dịch chuẩn ta có thể xác định được đỉnh Nitrate/Nitrite trong mẫu cần phân tích trong tập hợp các chất mà sắc

ký trao đổi ion tách ở 2 pic tương ứng

Nồng độ 2 ion có thể được xác định các phương pháp tính toán định lượng phổ biến trong phương pháp sắc ký như sau: phương pháp chuẩn hóa diện tích, phương pháp tính theo hiệu số hiệu chỉnh, phương pháp lập đường chuẩn và phương pháp chuẩn nội

Thuốc thử axit phenol disulfonic

Trong môi trường acid sulfuric đậm đặc, nitrat tham gia phản ứng với acid phenoldisulfonic tạo thành phức không màu nitrophenoldisulfonic Ở môi trường bazơ mạnh phức này có màu vàng và được đo tại bằng máy đo quang tại bước sóng λ = 410nm Cường độ màu tỉ lệ với nồng độ ion NO3

có trong mẫu phân tích

Phương trình phản ứng:

SVTH: Trần Lê Vân Thanh Trang 19

-Vì vậy các electron hóa trị sẽ bị kích thích mạnh hơn nên chúng có khả năng hấp thụ các bước sóng cao hơn Dung dịch có màu bền trong vòng 15-20 phút

Thuốc thử natri salixylat Trong môi trường acid sulfuric đậm đặc, nitrat tham gia phản ứng với natri salixylat tạo thành phức màu p-nitrosalixylat natri hoặc sản phẩm có thể là o-nitrosalixylat natri Ở môi trường bazơ mạnh phức này có màu và được đo tại bằng máy đo quang tại bước sóng λ = 410nm Cường độ màu tỉ lệ với nồng độ ion NO3

SVTH: Trần Lê Vân Thanh Trang 20

cường độ màu tăng và hấp thụ ánh sáng ở bước sóng dài Dung dịch phức bền màu trong trong vòng từ 10-15 phút

 Ưu điểm

Cho phép xác định NO3

- với hàm lượng lớn

Phương pháp đơn giản để thực hiện và rẻ tiền

 Nhược điểm

Phép phân tích dùng thuốc thử hữu cơ bị hạn chế bởi nhược điểm chung thường gặp khi sử dụng phương pháp trắc quang: mẫu xác định nếu bị đục hoặc có màu sẽ gây ảnh hưởng đến kết quả phân tích Do đó cần xử lý mẫu thận trọng trước khi thực hiện phản ứng tạo màu

Ion Cl- gây cản trở nhiều nhất trong quá trình xác định nitrat Trong môi trường axit mạnh, ion clo tác dụng với ion NO3- tạo hợp chất nitrosylclorua gây mất nitrat có trong mẫu

Cl- + NO3- + 4H+  Cl2 + NOCl + H2O Ảnh hưởng của Cl-

có thể được loại trừ bằng cách thêm một lượng tương đương

Ag2SO4

Ngoài ra còn phải kể đến nitrit là ion gây cản trở thường gặp nhất trong các phương pháp định lượng nitrat Ion này cần được loại trừ bằng axit Sunfamin, urê, hay thiurê

Việc chuẩn bị thuốc thử cũng có ảnh hưởng đến kết quả phân tích vì phenoldisulfonic có thể có màu hoặc không màu tùy thuộc vào phenol và quá trình điều chế Trong quá trình điều chế thuốc thử nếu có sự tạo thành axit phenolmonosulfonic thì sẽ làm giảm kết quả xác định

Phức chất tạo thành bền trong môi trường kiềm Vì vậy dung dịch dễ bị vẩn đục làm ảnh hưởng đến kết quả đo quang do các ion kim loại bị thủy phân Trước khi tạo phức, cần tiến hành che các ion kim loại bằng dung dịch EDTA

SVTH: Trần Lê Vân Thanh Trang 21

1.4 Cột khử Cd-Cu trong phân tích nitrat

Năm 1960 Potzl và Reiter sử dụng thành công cadmium trong việc khử nitrat về nitrit khi phân tích nitrat trong nước biển

Năm 1963 Morris và Riley sử dụng cột chứa cadmium ở dạng hỗn hống cho phản ứng khử Hiệu suất đạt 91 ± 1% Kỹ thuật này ít chịu ảnh hưởng của muối và các ion khác trong thành phần của nước biển Hiệu năng cột khử giảm dần do việc hình thành Cd(OH)2 (có thể có CdCO3)

Năm 1964 Grasshoff phát triển tiếp phương pháp của Morris và Riley bằng cách tăng chiều dài cột và sử dụng thêm NH4Cl để tạo phức với Cd2+

để kéo dài thời gian sống của cột khử

Hình 1 Mô hình cột khử Morris và Riley

sử dụng để phân tích nitrat trong nước biển

Năm 1965 Stricland và Parsons tiến hành thay thế NH4Cl bằng EDTA đồng thời hạt cadmium được xử lý trước khi tạo hỗn hống

Ngày nay phương pháp này tuy có những biến đổi nhất định nhưng vẫn dựa trên những nền tảng ban đầu

SVTH: Trần Lê Vân Thanh Trang 22

1.4.1 Nguyên lý hoạt động

Nitrate (NO3

) bị khử gần như định lượng về nitrite (NO2

) bằng kim loại cadmium (Cd)

-Phương pháp này sử dụng Cd dạng viên xử lý với đồng sulfate (CuSO4) và nạp vào trong một cột thủy tinh

Các quá trình diễn ra trong cột khử như sau:

NO NO

E  = 0.010V)

 Quá trình oxi hóa Cd theo phương trình sau:

Cd + 1/2O2 + H2O  Cd(OH)2Kết tủa Cd(OH)2 và CdO bám vào cột khử, làm giảm hiệu suất khử nên được hòa tan bằng cách tạo phức với EDTA trong dung dịch rửa cột sau mỗi lần thí nghiệm

Cd(OH)2 + H2Y2-  CdY2- + 2H2O Như vậy quá trình qua cột diễn ra một phản ứng tổng quát như sau:

NO3 - + Cd + Y4- + H2O  NO2

+ CdY2- + 2OH- Định lượng tổng ion NO2

sau cột khử bằng phương pháp trắc quang tại bước sóng λ = 520nm qua phẩm màu azo do phản ứng diazonium hóa giữa ion nitrit với sulfanilamide và α-naphthylamine hydrochloride

Bước 1: Sực tạo thành muối diazonium từ phản ứng giữa NO2và muối của amin thơm bậc nhất:

SVTH: Trần Lê Vân Thanh Trang 23

HO 3 S

NH 2

SO 3 H

Quá trình phản ứng với thuốc thử diễn ra trong môi trường acid mạnh pH = 2- 2.5 (có thể điều chỉnh dung dịch về pH này nhờ việc cho thêm các acid mạnh như HCl hoặc H2SO4)

Nồng độ nitrat bằng nồng độ tổng nitrite trừ đi nồng độ nitrite trong mẫu khi không dùng cột khử

Hiệu suất cột khử được xác định theo công thức như sau:

%100

3

2 2

n n H

-

3

NO

n : Số mol NO3- trong dung dịch đi vào cột khử

H : Hiệu suất cột khử cadimi

SVTH: Trần Lê Vân Thanh Trang 24

Dầu mỡ nếu hiện diện trong mẫu sẽ che phủ bề mặt Cd, nên chiết loại dầu mỡ bằng hexane hay hexane : methyl-tert-butyl ether 80 : 20

Dư lượng chlorine (Cl2) có tác dụng oxyhóa là giảm hiệu năng của cột khử Cd Thêm thiosulfate để loại dư lượng chlorine dư

SVTH: Trần Lê Vân Thanh Trang 25

CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM 2.1 Hóa chất, dụng cụ, thiết bị

SVTH: Trần Lê Vân Thanh Trang 26

Hòa tan 1.583g KMnO4 vào nước và pha loãng thành 1 lít

KMnO4 không phải là dung dịch chuẩn gốc vì nó dễ bị phân hủy bởi ánh sáng thành MnO2 Cần chuẩn độ lại dung dịch này bằng dung dịch H2C2O4 0.05N

Chuẩn hóa dung dịch KMnO 4

- Hút 10ml dung dịch KMnO4 vào bình tam giác Thêm vào bình 2ml H2SO4đậm đặc

- Đun bình trên bếp điện 700-800C

- Chuẩn độ bằng dung dịch H2C2O4 0.05N đến khi dung dịch có màu hồng nhạt bền trong 30 giây

2.2.3 Dung dịch chuẩn gốc NaNO 3 0.1mg/ml

Hòa tan 0.847g NaNO3 trong nước cất và pha loãng, định mức đến vạch trong bình định mức 1 lít Dung dịch này được bảo quản bằng 1ml dung dịch CHCl3

Dung dịch chuẩn làm việc được pha loãng từ dung dịch chuẩn gốc

2.2.4 Dung dịch chuẩn gốc NaNO 2 0.1mg/ml

Hòa tan 0.162g NaNO2 trong nước cất và pha loãng, định mức đến vạch trong bình định mức 1 lít Dung dịch này được bảo quản bằng 1ml dung dịch CHCl3

Vì NaNO2 dễ bị oxi hóa trong không khí nên cần bảo quản trong chai tối và chuẩn độ lại bằng dung dịch KMnO4 trong môi trường axit trước khi sử dụng

Chuẩn độ dung dịch NaNO 2

- Hút theo thứ tự 50ml dung dịch chuẩn KMnO4 0.0515N, 5mL dung dịch

H2SO4 đậm đặc, và 50ml dung dịch NaNO2 vào bình tam giác

- Lắc nhẹ và đun nóng dung dịch đến 70-800C trên bếp điện Loại màu

permanganate dư bằng cách thêm làm nhiều lần mỗi lần 10 ml dung dịch chuẩn H2C2O4

0.025N cho đến khi màu permanganate vừa biến mất