Phương pháp phân tích các chỉ tiêu môi trường - ThS. Đinh Hải Hà -63- CHƯƠNG 5 PHÂN TÍCH CÁC THÔNG SỐ SINH HOÁ BÀI 21: OXI HÒA TAN (Dissolved oxygen demand - DO) 1. Giới thiệu chung 1.1. Ý nghóa môi trường DO (oxi hòa tan) là yếu tố xác đònh sự thay đổi xảy ra do vi sinh vật kò khí hay hiếu khí. Đây là chỉ tiêu quan trọng nhất liên quan đến việc kiểm soát ô nhiễm dòng chảy. Ngoài ra, DO còn là cơ sở kiểm tra BOD nhằm đánh giá mức độ ô nhiễm của nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp. Tất cả các quá trình xử lý hiếu khí phụ thuộc vào sự hiện diện của DO trong nước thải, việc xác đònh DO không thể thiếu vì đó là phương tiện kiểm soát tốc độ sục khí để bảo đảm đủ lượng DO thích hợp cho vi sinh vật hiếu khí phát triển. DO cũng là yếu tố quan trọng trong sự ăn mòn sắt thép, đặc biệt là trong hệ thống cấp nước và lò hơi. 1.2. Nguyên tắc Phương pháp Winkler cải tiến dựa trên sự oxi hóa Mn 2+ thành Mn 4+ bởi lượng oxi hòa tan trong nước Khi cho MnSO 4 và dung dòch iodide kiềm (NaOH + NaI) vào mẫu có hai trường hợp xảy ra: Nếu không có oxi hiện diện, kết tủa Mn(OH) 2 có màu trắng Mn 2+ + 2OH - Mn(OH) 2 (tủa trắng) (1) Nếu mẫu có oxi, một phần Mn 2+ bò oxi hóa thành Mn 4+ , tủa có màu nâu. Mn 2+ + 2OH - + 1/2O 2 MnO 2 + H 2 O (2) Hoặc Mn(OH) 2 + 1/2O 2 MnO 2 + H 2 O (3) Mn 4+ có khả năng khử I - thành I 2 tự do trong môi trường acid. Như vậy, lượng I 2 được giải phóng tương đương với lượng oxi hoà tan có trong nước. Lượng iod này được xác đònh theo phương pháp chuẩn độ bằng thiosulfate với chỉ thò tinh bột. MnO 2 + 2I - + 4H + Mn 2+ + I 2 + 2H 2 O (4) 2Na 2 S 2 O 3 + I 2 Na 2 S 4 O 6 + 2NaI (không màu) (5) Phương pháp Winkler bò giới hạn bởi các tác nhân oxi hóa khác như: nitrite, sắt các tác nhân này cũng có thể oxi hoá 2I - I 2 đưa đến việc nâng cao trò số kết quả. Ngược lại, tác nhân khử như: Fe 2+ , sulfite, sulfide, … lại oxi hóa I 2 I - sẽ làm thấp giá trò kết quả. Đặc biệt ion nitrite là một trong những chất ngăn trở thường gặp, nó không oxy hóa Mn 2+ song khi môi trường có iodide và acid, NO 2 nó sẽ oxy hóa 2I - I 2 , N 2 O 2 tạo thành từ phản ứng lại bò oxy hóa bởi oxy khí trời qua mặt thoáng dung dòch để lại cho NO 2 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu môi trường - ThS. Đinh Hải Hà -64- 2NO 2 + 2I - + 4H + I 2 + N 2 O 2 + 2H 2 O Và N 2 O 2 1/2O 2 + H 2 O 2NO 2 + 2H + Do đó khi có NO 2 trong mẫu, điểm kết thúc không thể xảy ra bình thường khi có sự biến đổi liên tục từ 2I - I 2 và ngược lại. Để khắc phục nhược điểm trên của pp Winker cải tiến bằng cách trong dd iodide kiềm được thêm một lượng nhỏ sodium azide: NaN 3 + H + HN 3 + Na + HN 3 + NO 2 + H + N 2 + N 2 O + H 2 O Theo tiến trình này NO 2 bò loại hẳn. 2. Dụng cụ ,thiết bò và hóa chất 2.1. Dụng cụ và thiết bò - 02 Chai DO - 02 Ống đong 100ml - 01 Buret 2.2 Hóa chất a) Dd MnSO 4 : Hòa tan 480g MnSO 4 .4H2O (hoặc 400g MnSO 4 .2H2O hoặc 364 g MnSO 4 .H2O)trong nước cất pha loãng thành 1lít. Để cho tan hết khoảng 3 tiếng dd có màu hồng. b) Dd iodide-azide kiềm: hòa tan 500g NaOH hoặc (700g KOH) và 135g NaI hoặc (150g KI) trong nước cất và pha loãng thành 1 lít. Thêm 10g NaN 3 đã được hòa tan trong 40ml nước cất. c) axit sunfuric đậm đặc d) Dd Na 2 S 2 O 3 0,025M (Z=2): hòa tan 6,205g Na 2 S 2 O 3 .5H 2 O trong nước cất, thêm 1,5ml NaOH 6N hoặc 0,4gNaOH viên pha loãng thành 1 lít. e) Chỉ thị hồ tinh bột 3. Trình tự thí nghiệm - Lấy mẫu vào đầy chai DO 300ml, đậy nút đổ bỏ phần trên ra. Không được để bọt khí bám quanh thành chai - Mở nút, lần lượt thêm 2ml dd MnSO4 2ml Iodur-Azur kiềm - Đậy nút, đảo chai ít nhất 20s cho kết tủa lắng yên khoảng 2/3 chai - Đợi kết tủa lắng yên, mở nút cẩn thận cho 2ml H2SO4 đậm đặc. Đóng nắp đảo mạnh chai. - Khi kết tủa đã tan hoàn toàn, dùng ống đong Phương pháp phân tích các chỉ tiêu môi trường - ThS. Đinh Hải Hà -65- 100ml rót bỏ 97ml dung dòch. Đònh phân lượng còn lại bằng Natrithiosunphat đến khi có màu vàng nhạt rồi thêm 5 giọt chỉ thò hồ tinh bột. Tiếp tục đònh phân cho đến khi dung dòch mất màu xanh. 2. Tính toán 1ml Na 2 S 2 O 3 0,025M = 1mgO 2 /L 5. Câu hỏi Những điều gì cần lưu ýtrong quá trình lấy mẫu đo DO? BÀI 22: NHU CẦU OXY SINH HỌC (BIOLOGICAL OXYGEN DEMAND – BOD) 1. Giới thiệu chung 1.1 Ý Nghóa môi trường Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) là lượng oxy cần thiết để vi sinh vật oxy hóa các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học trong điều kiện hiếu khí. Khái niệm “có khả năng phân hủy” có nghóa là chất hữu cơ có thể dùng làm thức ăn cho vi sinh vật. BOD là một trong những chỉ tiêu được dùng để đánh giá mức độ gây ô nhiễm của các chất thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp và khả năng tự làm sạch của nguồn nước. 1.2 Nguyên tắc Sử dụng chai DO có V = 300ml. Đo hàm lượng DO ban đầu và sau 5 ngày ủ ở 20 o C. Lượng oxy chênh lệch do vi sinh vật sử dụng chính là BOD. 1.3 Các ảnh hưởng Vi sinh vật nitrate hóa sẽ sử dụng oxy để oxy hóa nitơ NH 3 thành NO 2 - và NO 3 - , do đó có thể làm thiếu hụt oxy hòa tan dẫn đến BOD không còn chính xác. 2. Dụng cụ, thiết bò và hóa chất 2.1 Dụng cụ và thiết bò Tủ điều nhiệt BOD ở 20 o C 1 o C Chai BOD Ống đong 100ml Buret Pipet Tủ điều nhiệt BOD 2.2 Hóa chất a. DD đệm phosphate: hòa tan 8,5g KH 2 PO 4 ; 21,75g K 2 HPO 4 ; 33,4g Na 2 HPO 4 .7H 2 O và 1,7g NH 4 Cl trong 500ml nước cất và đònh mức thành 1 lít. b. DD MgSO 4 : hòa tan 22,5g MgSO 4 .7 H 2 O trong nước cất, đònh mức thành 1 lít. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu môi trường - ThS. Đinh Hải Hà -66- c. DD CaCl 2 : hòa tan 27,5g CaCl 2 trong nước cất, đònh mức thành 1 lít. d. DD FeCl 3 : hòa tan 0,225g FeCl 3 .6H 2 O trong nước cất, đònh mức thành 1 lít. e. DD H 2 SO 4 1N hoặc NaOH 1N để trung hòa mẫu có tính kiềm hoặc tính acid. f. DD Sulfit natri: hòa tan 1,575g Na 2 SO 3 trong 1 lít nước cất. g. DD Acid glutami (glucose – glutamic acid solution): sấy glucose và glutamic acid trong 1h ở nhiệt độ 103 o C, thêm 150mg glutamic acid vào nước cất và pha thành 1lít. h. DD ammonium chloride: hòa tan 1,15g NH 4 Cl trong nước cất, chỉnh pH = 7,2 bằng NaOH và pha loãng thành 1 lít. DD chứa 0,3mg N/ml. 3. Trình tự thí nghiệm a. Chuẩn bò nước pha loãng (nước cất được sục khí bão hòa oxy) Sử dụng mỗi dung dòch phosphate, MgSO 4 , CaCl 2 , FeCl 3 là 1ml cho 1 lít nước cất bão hòa oxy và giữ ở 20 o C 1 o C (nước pha loãng này được sục khí từ 1,5 – 2h). b. Xử lý mẫu Nếu có độ kiềm hoặc độ acid thì mẫu phảo được trung hòa đến pH 6,5 – 7,5 bằng H 2 SO 4 hoặc NaOH loãng. Nếu mẫu có hàm lượng chlor dư đáng kể, thêm 1ml acid acetic 1:1 hay H 2 SO 4 1:50 trong 1 lít mẫu, sau đó tiếp tục thêm 10ml% rồi đònh phân bằng Na 2 S 2 O 3 đến dứt điểm. c. Kỹ thuật pha loãng mẫu xử lý theo tỷ lệ đề nghò sau 0,4% - 1% : cho nước thải công nghiệp nhiễm bẩn nặng 1% - 55% : cho nước uống chưa xử lý hoặc đã lắng 5% - 25% : cho dòng chảy qua quá trình oxy hóa 25% - 100% : cho các dòng sông ô nhiễm d. Chiết nước pha loãng vào 2 chai. Cho mẫu vào mỗi chai bằng cách nhúng pipet xuống đáy chai thả từ từ mẫu vào chai cho đến khi đạt thể tích cần sử dụng, lấy nhanh pipet ra khỏi chai đậy nhanh nút lại(không được có bọt khí). Một chai đậy kín để ủ 5 ngày (DO 5 ). Chai ủ trong tủ 20 o C đậy kỹ, niêm bằng nước mỏng trên chỗ loe của miệng chai (lưu ý không để nước cạn hết). c. Đònh phân lượng oxy hòa tan: - Một chai xác đònh DO ngay trên mẫu pha loãng: DO O - Một chai còn lại ủ ở 20 o C 1 o C và đònh phân sau 5 ngày: DO 5 -Độ pha loãng sao cho để sự khác biệt giữa 2 lần đònh phân phải >1 mgO 2 /L 4. Tính toán BOD(mg/l) = (DO O – DO 5 )xf DO O : oxy hòa tan đo được ngày đầu tiên DO 5 : oxy hòa tan đo được sau 5 ngày f: hệ số pha loãng Phương pháp phân tích các chỉ tiêu môi trường - ThS. Đinh Hải Hà -67- 5. Đo BOD bằng máy - Giữ 2 nút A,B để reset - Cài đặt khoảng đo thích hợp - Cho mẫu nước thải cần đo vào chai BOD (sau khi trung hòa đến pH=7 và bổ sung thêm chất dinh dưỡng cần thiết) - Bỏ cá từ vào bình BOD - Cho một ít NaOH rắn vào nút cao su đen - Vặn chặt bình bằng sensor, sau 5 ngày đọc kết quả. BÀI 23: NHU CẦU OXI HÓA HỌC (CHEMICAL OXYGEN DEMAND – COD) 1. Đại cương 1.1. Ý nghóa môi trường COD là nhu cầu oxi cần để oxi hóa các chất hữu cơ trong điều kiện môi trường oxi hóa mạnh và nhiệt độ cao. COD là một trong những chỉ tiêu đặc trưng dùng để kiểm tra ô nhiễm của nguồn nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp, đặc biệt là các công trình xử lý nước thải. 1.2. Nguyên tắc Hầu hết các chất hữu cơ đều bò phân hủy khi đun sôi trong hỗn hợp cromic và acid sulfuric: C n H a O b + cCr 2 O 7 2- + 8c H + nCO 2 + (a/2+ 4c)H 2 O + 2c Cr 3+ (1) Với c = 2/3n + a/6 – b/3 Lượng potassium dicromate và sulfuric acid được biết trước sẽ giảm tương ứng với lượng chất hữu cơ có trong mẫu. Lượng dicromate dư sẽ được đònh phân bằng dung dòch Fe(NH 4 ) 2 (SO 4 ) 2 và lượng chất hữu cơ bò oxi hóa sẽ tính ra bằng lượng oxi tương đương qua Cr 2 O 7 2- bò khử, lượng oxi tương đương này chính là COD. 1.3. Các ảnh hưởng Các hợp chất béo thẳng, hydrocacbon nhân thơm và pyridine không bò oxi hóa, mặc dù phương pháp này gần như oxi hóa chất hữu cơ hoàn toàn hơn so với phương pháp dùng potassium permanganate. Tuy nhiên, hidrocacbon bò oxi hóa dễ dàng hơn khi thêm Ag 2 SO 4 vào làm chất xúc tác, nhưng bạc dễ phản ứng với các ion họ halogen tạo kết tủa và chất này cũng có thể bò oxi hóa một phần. Các cố gắng sử dụng chất xúc tác đối với hidrocacbon vòng không đưa đến kết quả cụ thể nào, nó chỉ có thể oxi hóa rượu và các acid dây thẳng. Khi có kết tủa Halogen, trở ngại này có thể vượt qua bằng cách tạo phức, nhất là với các ion thường gặp như Cl - , khi thêm HgSO 4 vào mẫu với tỉ lệ HgSO 4 : Cl - là 10 : 1 trước khi đun, sẽ tạo thành phức chất HgCl 4 hòa tan, là phản ứng loại bỏ tốt nhất. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu môi trường - ThS. Đinh Hải Hà -68- Nitrite cũng gây ảnh hưởng đến việc xác đònh COD, nhưng ảnh hưởng này không thường xuyên và cũng không đáng kể, nên có thể bỏ qua. 2. Dụng cụ, thiết bò và hóa chất 2.1. Dụng cụ và thiết bò - Pipet 25ml. - Ống đong 100ml. - Buret 25ml. - Ống nghiệm có nút vặn kích thước xem bảng 2. - Bình cầu cổ mài 100ml. - Hệ thống chưng cất hoàn lưu. - Erlen 125ml; 50ml. - Tủ sấy 150 o C. 2.2. Hóa chất 2.2.1. Dung dòch chuẩn K 2 Cr 2 O 7 0,0167 M Hòa tan 4,913g K 2 Cr 2 O 7 (sấy ở 105 o C trong 2 giờ) trong 500ml nước cất, thêm vào 167ml H 2 SO 4 đậm đặc và 33,3g HgSO 4 , khuấy tan để nguội đến nguội đến nhiệt độ phòng, đònh mức thành 1000ml. 2.2.2. Dung dòch chuẩn K 2 Cr 2 O 7 0,00417 M Hòa tan 1,2259g K 2 Cr 2 O 7 (sấy ở 105 o C trong 2 giờ) trong nước cất và đònh mức thành 1000ml. 2.2.3. Acid sulfuric (sulfuric acid reagent) Cân 5,5g Ag 2 SO 4 trong 1kg H 2 SO 4 đậm đặc (1lít = 1,84kg), để 1 -2 ngày cho hòa tan hoàn toàn Ag 2 SO 4 . 2.2.4. Chỉ thò màu feroin Hòa tan 1,485g 1-10 phenantroline monohydrate và 0,695g FeSO 4 .7H 2 O trong nước cất và đònh mức thành 100ml. 2.2.5. Dung dòch ferrous ammonium sulfate (FAS) 0,1M Hòa tan 39,2g Fe(NH 4 ) 2 (SO 4 ) 2 .6H 2 O trong một ít nước cất, thêm vào 20ml H 2 SO 4 đậm đặc, làm lạnh và đònh mức thành 1000ml. 2.2.6. Dung dòch ferrous ammonium sulfate (FAS) 0,025M Hòa tan 9,8g Fe(NH 4 ) 2 (SO 4 ) 2 .6H 2 O trong một ít nước cất, thêm vào 20ml H 2 SO 4 đậm đặc, làm lạnh và đònh mức thành 1000ml. 2.2.7. Sulfamic acid Sử dụng nếu như ảnh hưởng của nitrite đáng kể. 2.2.8. Dung dòch potassium hydrogen phthalate chuẩn (KHP) Hòa tan 425g potassium hydrogen phthalate (HOOCC 6 H 4 COOK) đã sấy khô ở nhiệt độ 120 o C trong 2 giờ thêm nước cất thành 1000ml. Dung dòch này (KHP) có COD = 1,176 mgO 2 /mg hay COD = 500g O 2 g/ml. Đònh phân FAS: chọn thể tích mẫu và hóa chất sử dụng theo bảng sau: Phương pháp phân tích các chỉ tiêu môi trường - ThS. Đinh Hải Hà -69- Bảng 2: Tỉ lệ thể tích mẫu và hóa chất dùng trong phân tích COD Ống nghiệm (d x l) Thể tích mẫu (ml) Dd K 2 Cr 2 O 7 H 2 SO 4 reagent Tổng thể tích (ml) 20 x 150mm 25 x 150mm Ống chuẩn 10ml 5,0 10,0 2,5 3,0 6,0 1,5 7,0 14,0 3,5 15,0 30,0 7,5 Sau khi lấy mẫu và cho hóa chất vào để nguội đònh phân bằng FAS mới pha (mục đích là để kiểm tra lại nồng độ của FAS) )( )( )( )( 722 FASC mlphânSdùngđònhThểtíchFA mlđãdùngOCrThểtíchK FASM (*) Với C(FAS) là nồng độ của FAS đã dùng để đònh phân. (=0,1M) 3. Trình tự thí nghiệm 3.1. Phương pháp đun kín: (với mẫu COD > 50mg/l) Rửa sạch ống nghiệm có nút vặn kín với H 2 SO 4 20% trước khi sử dụng . Chọn thể tích mẫu và thể tích hoá chất dùng tương ứng theo bảng 2. Cho mẫu vào ống nghiệm, thêm dung dòch K 2 Cr 2 O 7 0,0167M vào, cẩn thận thêm H 2 SO 4 reagent vào bằng cách cho acid chảy dọc từ từ theo thành bên trong của ống nghiệm. Đậy nút vặn ngay, đặt ống nghiệm vào rổ inox và cho vào lò sấy hoặc máy COD ở 150 o C trong 2 giờ. Để nguội đến nhiệt độ phòng, đổ vào erlen, tráng ống COD bằng nước cất và đổ vào Erlen sau đó thêm 0,05 – 0,1ml (1 -2 giọt) chỉ thò feroin và đònh phân bằng FAS 0,1M. Dứt điểm khi mẫu chuyển từ xanh lục sang nâu đỏ. Làm một mẫu thử không với nước cất (cũng bao gồm các hoá chất như mẫu thật nhưng thay mẫu bằng nước cất, ủ 150 o C trong 2h) 3.2. Phương pháp đun hoàn lưu: (với mẫu COD < 50mg/l) – (ko làm) Lấy 50 hoặc 100ml cho vào bình cầu nút mài thêm 1g HgSO 4 và vài viên bi thủy tinh, cẩn thận thêm 5,0ml H 2 SO 4 reagent lắc đều cho HgSO 4 tan ra (nên đặt trong môi trường lạnh để tránh những chất hữu cơ có thể bay hơi). Thêm 25,0ml K 2 Cr 2 O 7 0,00417M vào lắc đều, sau đó nối với hệ thống hoàn lưu, thêm 70ml H 2 SO 4 còn lại qua phễu của hệ thống hoàn lưu, lắc đều. Đun hoàn lưu trong hai giờ, để nguội và rửa ống hoàn lưu bằng nước cất, để nguội ở nhiệt độ phòng. Sau đó đònh phân lượng K 2 Cr 2 O 7 thừa bằng FAS 0,025M với 0,10 – 0,15ml (2 -3 giọt) làm chỉ thò màu feroin, dứt điểm dung dòch chuyển từ màu xanh sang màu nâu đỏ. * Ghi chú: Phương pháp đun kín dùng K 2 Cr 2 O 7 0,0167M và FAS 0,1M. Máy COD Phương pháp phân tích các chỉ tiêu môi trường - ThS. Đinh Hải Hà -70- Phương pháp đun hoàn lưu dùng K 2 Cr 2 O 7 0,00417M và FAS 0,025 M. 4. Tính toán Phương pháp đun kín và phương pháp đun hoàn lưu đều cùng tính trên một công thức sau: COD mgO 2 /l = mlmẫu MBA 8000)( Trong đó: A: Thể tích FAS dùng cho ống thử không B: Thể tích FAS dùng cho thử thật. M: Nguyên chuẩn độ của FAS (hệ số xác đònh sự chênh lệch giữa nồng độ thực của FAS(0,1M) lúc mới pha so với nồng độ của FAS đã bò biến đổi khi để lâu ngoài không khí) 5. Câu hỏi 5.1. Các sai số trong quá trình thí nghiệm? 5.2. Sự khác nhau giữa phương pháp đun kín và đun hoàn lưu? 5.3. Ý nghóa của việc kiểm tra COD? Ghi chú: Ống thử không (A): nước cất + K 2 Cr 2 O 7 + H 2 SO 4 ủ 2h ở 150 O C Ống thử thật (B): mẫu nước thải + K 2 Cr 2 O 7 + H 2 SO 4 ủ 2h ở 150 O C Ống (*): nước cất + K 2 Cr 2 O 7 + H 2 SO 4 để ở nhiệt độ thường, đònh phân bằng FAS để xác đònh hệ số M (có thể bỏ qua bước này nếu FAS mới pha) . 0,1M. Máy COD Phương pháp phân tích các chỉ tiêu môi trường - ThS. Đinh Hải Hà -7 0- Phương pháp đun hoàn lưu dùng K 2 Cr 2 O 7 0,00417M và FAS 0,0 25 M. 4. Tính toán Phương pháp đun kín và phương pháp. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu môi trường - ThS. Đinh Hải Hà -6 3- CHƯƠNG 5 PHÂN TÍCH CÁC THÔNG SỐ SINH HOÁ BÀI 21: OXI HÒA TAN (Dissolved oxygen demand - DO) 1. Giới thiệu. đầu tiên DO 5 : oxy hòa tan đo được sau 5 ngày f: hệ số pha loãng Phương pháp phân tích các chỉ tiêu môi trường - ThS. Đinh Hải Hà -6 7- 5. Đo BOD bằng máy - Giữ 2 nút A,B để reset - Cài đặt khoảng