Luận văn thạc sĩ Công nghệ hóa học: Nghiên cứu quá trình xạ phân 2-Naphthol trong nước

Do đặc trưng khó bị phân hủy của các hợp chất đa nhân thơm, qui trình công nghệ xử lý chúng thường bao gồm giai đoạn áp dụng các phương pháp oxi hóa nâng cao thành liên tục trong mẫu nướ

PHƯƠNG PHÁP VÀ MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU

Hóa chất, thiết bị và dụng cụ

- 2-Naphthol C 10 H 8 O (99%), 1,2- và 1,4-Naphthoquinone C 10 H 6 O 3 (97%), 2- Hydroxy- và 5-Hydroxy-1,4-Naphthoquinone C10H6O3 (97%) của Sigma- Aldrich

- Hydrogen peroxide H 2 O 2 (30%), Axit acetic CH 3 COOH (99,8%), Axit sulphuric H2SO4 95-97% (1 L ~ 1,84 kg), Na2SO4 p.a và NaOH p.a của Merck

- Methanol CH 3 OH dùng cho HPLC của J.T Baker

- Nước khử ion – Phòng TN Trọng điểm CN HH&DK

- Hệ thống HPLC Agilent Technologies 1200 series bao gồm bộ đuổi khí (Degaser), bơm dung môi bốn kênh (Quad Pump), bộ tiêm mẫu tự động (ALS), buồng ổn nhiệt độ cột (TCC), đầu dò chuỗi đi ốt (DAD), sử dụng cột sắc ký đảo pha Gemini C18 250 mm x 4,6 mm, kớch thước hạt nhồi 5àm, hãng Phenomenex, hoặc cột Eclipse XDB 150 mm x 4,6 mm, kích thước hạt nhồi 5àm, hóng Agilent

Hình 2-1: Hệ thống HPLC/DAD tại Phòng Thí nghiệm Trọng điểm

CNHH & DK - Buồng chiếu xạ tại Phòng Công nghệ Chiếu xạ Viện Năng lượng Hạt nhân Đà Lạt là 60 Co Gamma Chamber 5000 (BRIT, Ấn Độ) có hoạt độ 3000 Ci, suất liều 3.6030 kGy/h, thể tích 4 dm 3 , đường kính trong của buồng chứa mẫu 13 cm, nhiệt độ duy trì 30 o C

Hình 2-2: Thiết bị chiếu xạ 60 Co Gamma Chamber, Viện NC Hạt nhân Đà Lạt

- Đèn UV RPR-3500A, bước sóng λ ~ 254 nm, công suất 8W, hãng Southern New England Ultraviolet Co

- Ống nghiệm có nắp Schott - Duran kích thước 16x100mm 12ml - Máy đo pH: METTLE TOLEDO, Thụy Sĩ

- Cân phân tích 4 số lẻ - Máy đánh siêu âm - Micropipet BOECO Germany 100-1000 àl - Micropipet BOECO Germany 20-200 àl - Bình định mức Duran của Đức 25ml, 50ml, 100ml, 250ml

- Ống đong BOMEX của Trung Quốc 10ml, 50 ml

Chuẩn bị dung dịch gốc 2-naphthol 1000 àmol/l

Cân chính xác 0,0364g 2-Naphthol (C 10 H 8 O, 99%, Sigma-Aldrich), hòa tan vào nước khử ion rồi định mức tới 250 ml, sau đó đánh siêu âm 20 phút để dung dịch trộn đều hoàn toàn Dung dịch gốc 1000 àmol/l được bảo quản trong tủ lạnh ở ngăn mát, tránh ánh sáng Dung dịch gốc được pha mới tối thiểu mỗi 2 tuần và dùng để pha loãng thành các dung dịch mẫu xây dựng đường chuẩn cũng như làm thực nghiệm phân hủy.

Kiểm chứng phương pháp HPLC/UV định lượng 2-naphthol trong nước

Dựng autopipet hỳt 150 àl dung dịch gốc 1000 àM 2-naphthol vào vial, dựng autopipet hỳt thờm 850 àl nước khử ion vào vial, đậy chặt nỳt, đỏnh siờu õm ~ 1 phỳt, thu được dung dịch 150 àM 2-naphthol

Dựng autopipet hỳt 2,5 ml dung dịch gốc 1000 àM 2-naphthol vào bỡnh định mức 25 ml, định mức với nước khử ion tới vạch, trộn đều, thu được dung dịch 100 àM 2-naphthol Dựng autopipet hỳt dung dịch này vào cỏc vial rồi thờm nước khử ion theo Bảng 2-1, đậy chặt nút, đánh siêu âm ~ 1 phút, thu được các dung dịch 2- naphthol với nồng độ như trong Bảng 2-1

Bảng 2-1: Pha các dung dịch xây dựng đường chuẩn định lượng 2-naphthol

Nồng độ dung dịch C, àM 5 25 50 75

Thể tớch dung dịch 100 àM, àl 50 250 500 750

Thể tích nước khử ion thêm vào, àl

Dựng autopipet hỳt 200 àl dung dịch 5 àM 2-naphthol vào vial, dựng autopipet hỳt thờm 800 àl nước khử ion vào vial, đậy chặt nỳt, đỏnh siờu õm ~ 1 phỳt, thu được dung dịch 1 àM 2-naphthol Lần lượt hỳt 50 àl và 250 àl dung dịch này vào 2 vial, thờm tương ứng 950 àl và 750 àl nước khử ion, đậy nỳt vial, đỏnh siờu õm ~ 1 phỳt, thu được cỏc mẫu dung dịch 0,05 àM và 0,25 àM 2-naphthol Đo sắc ký cỏc dung dịch mẫu nồng độ 5 àM – 150 àM vừa chuẩn bị như trên, pha động là dung dịch methanol/0,1% axit axetic tỷ lệ thể tích cố định 55/45, tốc độ dòng cố định 1 ml/phút, nhiệt độ buồng cột 40 o C, bước sóng đầu dò 225 nm, thiết bị nạp mẫu tự động rửa với methanol sau mỗi lần đo, thể tớch mẫu 80 àl [18- 20] Mỗi mẫu đo 3 lần để đánh giá sai số Ở cùng điều kiện vận hành HPLC/UV như trên, đo sắc ký các dung dịch mẫu 0,05 àM và 0,25 àM 2-naphthol, mỗi mẫu đo 7 lần để đỏnh giỏ ngưỡng định lượng của phương pháp

Pha cỏc dung dịch 50 àM 1,2- và 1,4-naphthoquinone, 2-hydroxy- và 5- hydroxy-1,4-naphthoquinone trong nước khử ion bằng cách cân chính xác các lượng hóa chất tính trước vào thể tích nước tương ứng và đánh siêu âm để hòa tan hoàn toàn Đo sắc ký các mẫu này ở cùng điều kiện vận hành thiết bị HPLC/DAD giống như đo các mẫu 2-naphthol, song lấy thêm tín hiệu đầu dò ở bước sóng 254 nm.

Thực nghiệm chiếu xạ các mẫu dung dịch 2-naphthol

2.4.1 Kh ả o sát kh ả n ă ng x ử lý d ư l ượ ng 2-naphthol trong dung d ị ch

Dựng pipet hỳt 25 ml dung dịch gốc 1000 àM 2-naphthol vào bỡnh định mức 250 ml, định mức với nước khử ion tới vạch, lắc đều rồi đánh siêu âm ~ 1 phút

Dung dịch mẫu được hút vào 16 ống nghiệm có nắp vặn Schott - Duran, mỗi ống ~ 10 ml, một ống lưu trữ trong tủ lạnh ngăn mát (≈ 4 o C) của phòng thí nghiệm, 15 ống còn lại gửi chiếu xạ tại Viện Hạt nhân Đà Lạt với 5 liều hấp thu: 0,3 kGy ; 0,6 kGy ; 1,0 kGy ; 2,0 kGy và 3,0 kGy Mỗi liều chiếu 3 ống nghiệm để xác định sai số ngẫu nhiên Các mẫu sau chiếu xạ và mẫu lưu trữ khộng chiếu được phân tích với thiết bị HPLC/DAD như mô tả ở trên để xác định nồng độ 2-naphthol, đồng thời ghi nhận thêm tín hiệu đầu dò ở bước sóng 254 nm, sử dụng cột C18 Eclipse XDB

2.4.2 Xác đị nh ả nh h ưở ng c ủ a n ồ ng độ 2-naphthol ban đầ u và li ề u h ấ p thu

Dùng pipet hút vào các bình định mức 250 ml các thể tích dung dịch gốc 1000 àM 2-naphthol như trong Bảng 2-2, định mức với nước khử ion tới vạch, lắc đều rồi đánh siêu âm ~ 1 phút

Bảng 2-2: Pha các dung dịch 2-naphthol không hiệu chỉnh pH ban đầu Thể tớch dung dịch gốc 1000 àM 2-naphthol, ml 5 12,5 25 35

Nồng độ dung dịch mẫu, àM 20 50 100 140

Dung dịch mẫu được phân chia vào các ống nghiệm Schott-Duran, mỗi ống chứa khoảng 10 ml Một ống được lưu trữ trong tủ lạnh, còn 15 ống được chiếu xạ tại Viện Hạt nhân Đà Lạt với 5 liều hấp thu khác nhau: 0,2 kGy, 0,5 kGy, 0,8 kGy, 1,5 kGy và 3,0 kGy Mỗi liều được chiếu trên 3 ống nghiệm để xác định sai số ngẫu nhiên Sau khi chiếu xạ, tất cả các mẫu được phân tích bằng thiết bị HPLC/DAD để xác định nồng độ 2-naphthol và tín hiệu hấp thụ ở bước sóng 254 nm.

2.4.3 Xác đị nh ả nh h ưở ng c ủ a pH trong dung d ị ch ban đầ u và li ề u h ấ p thu

Dùng pipet hút nhanh 2 ml axit H2SO4 đậm đặc vào bình định mức 100 ml, pha loóng với nước khử ion, thờm 10 ml dung dịch gốc 1000 àM 2-naphthol, định mức với nước khử ion đến vạch, lắc đều đánh siêu âm ~ 1 phút, thu được dung dịch 100 àM 2-naphthol trong ~ 0,36M H2SO4

Dùng pipet hút nhanh 0,02 ml axit H 2 SO 4 đậm đặc vào bình định mức 100 ml, định mức với nước khử ion đến vạch, lắc đều thu được dung dịch ~ 0,0036M H2SO4

Cân 1,42 g Na 2 SO 4 hòa tan trong nước khử ion rồi định mức tới 100 ml, lắc đều đánh siêu âm ~ 5 phút, thu được dung dịch 0,1M Na2SO4

Cân nhanh ~ 0,2 g NaOH hòa tan trong nước khử ion rồi định mức tới 50 ml, lắc đều đánh siêu âm ~ 5 phút thu được dung dịch ~ 0,1M NaOH

Dựng pipet hỳt 10 ml dung dịch gốc 1000 àM 2-naphthol vào cỏc bỡnh định mức 100 ml, hút thêm các thể tích dung dịch 0,1 M Na 2 SO 4 và 0,0036M H 2 SO 4 hoặc 0,1M NaOH, định mức tới vạch với nước khử ion, lắc đều đánh siêu âm ~ 1 phỳt, thu được cỏc dung dịch 100 àM 2-naphthol cú lực ion như nhau và pH như trong Bảng 2-3

Bảng 2-3: Pha cỏc dung dịch 100 àM 2-naphthol, hiệu chỉnh pH ban đầu Thể tích dung dịch ~ 0,1M Na 2 SO 4 , ml 10 10 10 - Thể tích dung dịch ~ 0,0036M H 2 SO 4 , ml - - 0,25 25

Thể tích dung dịch ~ 0,1M NaOH, ml 0,1 - - - pH ban đầu trong dung dịch ~ 10 ~ 6 ~ 4 ~ 2

Dung dịch mẫu được hút vào 10 ống nghiệm có nắp vặn Schott - Duran, mỗi ống ~ 10 ml, một ống lưu trữ trong tủ lạnh ngăn mát (≈ 4 o C) của phòng thí nghiệm, 9 ống còn lại gửi chiếu xạ tại Viện Hạt nhân Đà Lạt với 3 liều hấp thu: 0,2 kGy ; 0,5 kGy ; 0,8 kGy Mỗi liều chiếu 3 ống nghiệm để xác định sai số ngẫu nhiên Các mẫu sau chiếu xạ và mẫu lưu trữ khộng chiếu được phân tích với thiết bị

HPLC/DAD như mô tả ở trên để xác định nồng độ 2-naphthol, đồng thời ghi nhận tín thêm hiệu đầu dò ở bước sóng 254 nm

2.4.4 Xác đị nh ả nh h ưở ng c ủ a H 2 O 2 trong dung d ị ch ban đầ u và li ề u h ấ p thu

Dựng pipet hỳt 10 ml dung dịch gốc 1000 àM 2-naphthol vào cỏc bỡnh định mức 100 ml, hút thêm các thể tích dung dịch 30% H2O2 , định mức tới vạch với nước khử ion, lắc đều đỏnh siờu õm ~ 1 phỳt, thu được cỏc dung dịch 100 àM 2- naphthol nồng độ H2O2 như trong Bảng 2-4

Bảng 2-4: Pha cỏc dung dịch 100 àM 2-naphthol và H 2 O 2 Thể tích dung dịch 30% H2O2 , ml 0,025 0,25 2,5 Nồng độ H2O2 ban đầu trong dung dịch, % 0,003 0,03 0,3

Dung dịch mẫu được hút vào 10 ống nghiệm có nắp vặn Schott - Duran, mỗi ống ~ 10 ml, một ống lưu trữ trong tủ lạnh ngăn mát (≈ 4 o C) của phòng thí nghiệm, 9 ống còn lại gửi chiếu xạ tại Viện Hạt nhân Đà Lạt với 3 liều hấp thu: 0,2 kGy ; 0,5 kGy ; 0,8 kGy Mỗi liều chiếu 3 ống nghiệm để xác định sai số ngẫu nhiên Các mẫu sau chiếu xạ và mẫu lưu trữ khộng chiếu được phân tích với thiết bị HPLC/DAD như mô tả ở trên để xác định nồng độ 2-naphthol, đồng thời ghi nhận tín thêm hiệu đầu dò ở bước sóng 254 nm.

Thực nghiệm đối chiếu xử lý mẫu với tia UVC

Hút 80 ml dung dịch 100 μM 2-naphthol (nồng độ H 2 O 2 ban đầu 0% ; 0,003% ; 0,015%) vào ống nghiệm thạch anh đường kính trong ~ 2 cm, nút chặt, giữa 2 đèn UV RPR-3500A song song, đối xứng với nhau qua ống nghiệm Khoảng cách từ bề mặt mỗi đèn đến bề mặt ổng nghiệm ~ 2,5 cm Toàn bộ được che chắn để ngăn tia UV thoát ra ngoài song đảm bảo thông gió để duy trì mẫu ở nhiệt độ phòng Lấy mẫu trước khi chiếu và sau các khoảng thời gian chiếu 0,5 ; 1 ; 2 ; 3 ; 5 ; 10 ; 15 và 20 phút Mỗi mẫu thực nghiệm 2 lần để kiểm chứng Các mẫu phân tích với thiết bị HPLC/DAD như mô tả ở trên để xác định nồng độ 2-naphthol, đồng thời ghi nhận tín thêm hiệu đầu dò ở bước sóng 254 nm.

Xử lý số liệu thực nghiệm

Sử dụng phần mềm Origin phiên bản 5.0 để vẽ các đồ thị Số liệu đo sắc ký đồ trích xuất từ phần mềm đo Chemstation phiên bản B04.02.SP1 dạng txt được nhập liệu sang phần mềm Origin Đường chuẩn định lượng được xây dựng dạng diện tích pík theo nồng độ

Hiệu suất phân hủy 2-naphthol R% tính theo công thức:

Trong đó S tb 0 , S tb X là giá trị trung bình của diện tích peak trước và sau xử lý.