Xác định hàm lượng thủy ngân tổng số trong bùn lắng bằng phương pháp CVAmalgamAas

Bảng 3.2: Ảnh hưởng của nồng độ hydroxylamine đến hiệu suất thu hồi của HgCl2, MeHgCl và PhHgAc khi xử lý dung dịch chuẩn theo quy trình EPA và xác định bằng phương pháp CV-Amalgam-AAS B

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

HOÀNG HẢI YẾN

XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG THỦY NGÂN TỔNG SỐ TRONG BÙN LẮNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP CV-AMALGAM-AAS

Chuyên ngành: Hóa Phân Tích

Mã số: 60 44 29

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Giáo viên hướng dẫn khoa học:

TS NGUYỄN VĂN ĐÔNG

TP HỒ CHÍ MINH, 2012

LỜI CÁM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của các thầy cô, các anh chị và các bạn Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin được bày tỏ sự cảm ơn chân thành đến:

Thầy, TS Nguyễn Văn Đông là người hướng dẫn khoa học đã hết lòng

chỉ bảo, giúp đỡ, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn này

Các Thầy Cô trong Bộ môn Hóa Phân Tích trường Đại Học Khoa Học

Tự Nhiên TP HCM đã tận tình truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt thời gian học cao học tại trường

Tôi cũng xin chân thành cám ơn các bạn cán bộ trẻ, các em sinh viên trong Bộ môn Hóa Phân Tích Tích trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên TP HCM đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian làm đề tài tại phòng thí nghiệm của bộ môn

Tuy đã cố gắng hết sức song vì thời gian có hạn và kiến thức bản thân còn có những hạn chế nên luận văn này khó tránh khỏi thiếu sót Tôi rất mong nhận được sự thông cảm và đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn

MỤC LỤC

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 1 

DANH MỤC BẢNG 2 

DANH MỤC HÌNH 4 

MỞ ĐẦU 6 

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 7 

1.1  Đại cương về thủy ngân 7 

1.1.1  Các hằng số và tính chất hóa lý của nguyên tố Hg 7 

1.1.2  Hoạt tính sinh học 10 

1.1.3  Các nguồn phát sinh thủy ngân 11 

1.1.4  Chu trình biến đổi của thủy ngân trong tự nhiên 11 

1.2  Các phương pháp xác định vi lượng thủy ngân được dùng phổ biến 12 

1.2.1  Phương pháp phổ phát xạ ghép cặp cảm ứng cao tần (ICP-OES) 12 

1.2.2  Phương pháp khối phổ ghép nối cảm ứng cao tần (ICP-MS) 14 

1.2.3  Phương pháp quang phổ huỳnh quang nguyên tử (AFS) 14 

1.2.4  Phương pháp phổ hấp thu nguyên tử (AAS) 15 

1.2.5  Phương pháp phổ hấp thu nguyên tử hóa hơi lạnh kết hợp làm giàu mẫu trên bẫy vàng (CV-Amalgam-AAS) 24 

1.3  Các phương pháp xử lý mẫu phân tích Hg 28 

1.3.1  Xử lý mẫu nước 28 

1.3.2  Xử lý mẫu rau quả 29 

1.3.3  Xử lý mẫu thịt và sản phẩm từ thịt 30 

1.3.4  Xử lý mẫu đất 31 

1.3.5  Xử lý mẫu bùn lắng 31 

1.4  Mục tiêu của đề tài 32 

1.5  Nội dung nghiên cứu: 33 

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 34 

2.1  Thiết bị-hóa chất, pha chế hóa chất 34 

2.1.1  Thiết bị 34 

2.1.2  Hóa chất 34 

2.1.3  Pha chế hóa chất 34 

2.2  Lấy, xử lý sơ bộ và bảo quản mẫu mẫu bùn lắng 35 

2.2.1  Lấy mẫu 35 

2.2.2  Xử lý sơ bộ mẫu và bảo quản mẫu 35 

2.3  Kiểm soát nhiễm bẩn trong phân tích thủy ngân: 35 

2.3.1  Kiểm soát hóa chất và khí mang 36 

2.3.2  Kiểm soát thiết bị, dụng cụ 36 

2.3.3  Kiểm soát môi trường làm việc 40 

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 41 

3.1  Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân tích xác định thủy ngân bằng phương pháp CV-Amalgam-AAS 41 

3.1.1  Khảo sát mối quan hệ giữa thời gian sục khí, thể tích mẫu và AHg 41 

3.1.2  Khảo sát ảnh hưởng của các acid đến độ hấp thu của thủy ngân 42 

3.2  Khảo sát quy trình xử lý mẫu bùn lắng xác định thủy ngân tổng số của EPA 45 

3.2.1  Quy trình xử lý mẫu theo EPA 46 

3.2.2  Khảo sát quy trình xử lý mẫu trên dung dịch chuẩn thủy ngân 46 

3.2.3  Khảo sát quy trình xử lý mẫu EPA trên nền mẫu bùn lắng 52 

3.3  Định trị phương pháp phân tích với quy trình xử lý mẫu EPA 56 

3.3.1  Độ chọn lọc 56 

3.3.2  Khoảng tuyến tính 56 

3.3.3  Xác định độ nhạy, giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng 59 

3.3.4  Đánh giá độ lặp lại 61 

3.3.5  Đánh giá độ đúng 62 

3.4  Xây dựng và định trị quy trình xử lý mẫu với hệ thống phân hủy mẫu Kjeldahl phụ vụ cho việc xác định hàm lượng thủy ngân tổng số trong bùn lắng

73 

3.4.1  Quy trình xử lý mẫu đề xuất 73 

3.4.2  Tối ưu quy trình xử lý mẫu đề xuất 74 

3.4.3  Định trị quy trình xử lý mẫu đề xuất: 79 

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 85 

4.1  Kết luận 85 

4.2  Kiến nghị 86 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 

PHỤ LỤC 91 

1

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

AAS (Cold vapor – Atomic Absorption Spectrometry): Phổ hấp thu nguyên tử CV-AAS (Cold vapor – Atomic Absorption Spectrometry): Phổ hấp thu

nguyên tử hóa hơi lạnh

ICP-OES (Inductively coupled plasma optical emission spectrometry):

HG-AAS (Hydride Atomic Absorption Spectrometry): quang phổ hấp thu

nguyên tử hơi hydride

GF-AAS (Graphite Atomic Absorption Spectrometry): quang phổ hấp thu

nguyên tử dùng lò graphit

LOD (Limit of detection): Giới hạn phát hiện

LOQ (Limit of quantitation): Giới hạn định lượng

MDL (Method detection limit): Giới hạn phát hiện của phương pháp

IDL (Instrument detection limit): Giới hạn phát hiện của thiết bị

Bảng 3.2: Ảnh hưởng của nồng độ hydroxylamine đến hiệu suất thu hồi của HgCl2, MeHgCl và PhHgAc khi xử lý dung dịch chuẩn theo quy trình EPA và xác định bằng phương pháp CV-Amalgam-AAS

Bảng 3.3: Các điều kiện xử lý mẫu đã tối ưu trên dung dịch chuẩn thủy ngân theo

quy trình xử lý mẫu EPA

Bảng 3.4: Hiệu suất thu hồi Hg2+ trên mẫu bùn lắng khi thay đổi thời gian đun mẫu

Bảng 3.5: Tín hiệu hấp thu thu được từ thí nghiệm đo 11 mẫu trắng xử lý mẫu theo

quy trình EPA

Bảng 3.6: Hàm lượng Hg (ng/g) trong mẫu bùn lắng kênh Tàu Hủ phân tích bằng

quy trình xử lý mẫu theo EPA

Bảng 3.7: Hiệu suất thu hồi của mẫu bùn lắng có thêm Hg2+, MeHgCl và PhHgAc khi xử lý theo quy trình EPA

Bảng 3.8: Hàm lượng Hg trong mẫu chuẩn quốc tế BCSS-1 xác định bằng quy trình

xử lý mẫu EPA và phương pháp phân tích CV-Amalgam-AAS

Bảng 3.9: Hàm lượng Hg trong mẫu chuẩn quốc tế MESS-2 xác định bằng quy

trình xử lý mẫu EPA với phương pháp phân tích CV-Amalgam-AAS

Bảng 3.10: Chương trình nhiệt khi xử lý mẫu bằng lò vi sóng

Bảng 3.11: Hàm lượng Hg trong mẫu chuẩn quốc tế BCSS-1 xác định bằng phương

CV-Amalgam- AAS với pháp xử lý mẫu bằng lò vi sóng

Bảng 3.12: Hàm lượng Hg trong mẫu bùn lắng BCSS-1 xác định bằng phương pháp

CV-Amalgam-AAS với pháp xử lý mẫu bằng lò vi sóng

3

Bảng 3.13: Hàm lượng thủy ngân thu được từ phương pháp phân hủy mẫu theo

EPA và phương pháp phân hủy mẫu bằng vi sóng

Bảng 3.14: Hiệu suất thu hồi thủy ngân khi xử lý dung dịch chuẩn theo quy trình xử

lý mẫu đề xuất

Bảng 3.15: Kết quả khảo sát nhiệt độ giai đoạn 1 quá trình xử lý mẫu

Bảng 3.16: Tín hiệu hấp thu đo được từ thí nghiệm đo 11 mẫu trắng xử lý mẫu theo

quy trình đề xuất

Bảng 3.17: Hàm lượng Hg (ng/g) trong mẫu bùn lắng kênh Tàu Hủ phân tích bằng

quy trình xử lý mẫu đề xuất

Bảng 3.18: Hiệu suất thu hồi của HgCl2, MeHgCl, PhHgAc trên mẫu bùn lắng xử

lý theo quy trình đề xuất

Bảng 3.19: So sánh hàm lượng Hg trong các mẫu bùn lắng xác được khi xử lý theo

quy trình đề xuất và quy trình xử lý bằng vi sóng

Bảng 3.20: So sánh hàm lượng Hg trong các mẫu bùn lắng xác được khi xử lý theo

quy trình xử lý mẫu EPA, quy trình đề xuất và quy trình xử lý bằng vi sóng

Bảng 3.21: So sánh ưu và nhược điểm của quy trình xử lý mẫu EPA và quy trình xử

lý mẫu đề xuất

4

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Chu trình biến đổi của thủy ngân trong tự nhiên

Hình: 1.2: Sơ đồ hệ thống máy đo phổ hấp thu nguyên tử

Hình 1.3: Hệ thống tạo thủy ngân gián đoạn (batch mode) dùng trong phân tích

thủy ngân theo phương pháp CV AAS

Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống hóa hơi Hg tuần hoàn Shimadzu MVU-1

Hình 1.5: Hệ thống tạo thủy ngân theo dòng chảy liên tục (continuous flow) dùng

trong phân tích thủy ngân theo phương pháp CV AAS

Hình 1.6: Hệ thống tạo thủy ngân theo tiêm dòng chảy (flow injection) dùng trong

phân tích thủy ngân theo phương pháp CV AAS (FIASS-400 – Perkin Elmer)

Hình 1.7: Hệ thống CV-Amalgam-AAS

Hình 1.8: Hệ thống xử lý mẫu rau quả

Hình 2.1: Đường chuẩn biểu diễn độ hấp thu của Hg theo khối lượng trong phương

pháp CV-Amalgam-AAS khi bẫy vàng hoạt động bình thường

Hình 2.2: Đường chuẩn biểu diễn độ hấp thu của Hg theo khối lượng trong phương

pháp CV-Amalgam-AAS khi bẫy vàng bị nhiễm bẩn

Hình 2.3: Đường chuẩn biểu diễn độ hấp thu của Hg theo khối lượng trong phương

pháp CV-Amalgam-AAS sau khi bẫy vàng được hoạt hóa

Hình 3.1: Quan hệ giữa thể tích mẫu, thời gian sục khí và độ hấp thu của Hg trong

CV-Amalgam-AA

Hình 3.2: Ảnh hưởng của nồng độ các acid đến độ hấp thu của thủy ngân trong

phương pháp CV-Amalgam-AAS

Hình 3.3: Ảnh hưởng của các acid ở nồng độ 2M đến độ hấp thu của thủy ngân

trong phương pháp CV-Amalgam-AAS

Hình 3.4: Ảnh hưởng của nồng độ H2SO4 đến hiệu suất thu hồi Hg2+ khi xử lý dung dịch chuẩn theo quy trình EPA và xác định bằng phương pháp CV-Amalgam-AAS

Hình 3.5: Quy trình xử lý mẫu bùn lắng đã tối ưu theo EPA

Hình 3.9: Đường thêm chuẩn tiêu biểu biểu diễn độ hấp thu của Hg theo lượng Hg

thêm vào dung dịch mẫu trong trong phương pháp CV-Amalgam-AAS

Hình 3.10: Sơ đồ quy trình xử lý mẫu bùn lắng dùng hệ thống phân hủy mẫu

Kjeldah

bị hệ vi khuẩn ở đó chuyển hóa thành dạng thủy ngân hữu cơ rất độc hại điển hình

là hợp chất methyl thủy ngân Sự tích tụ thủy ngân trong bùn lắng như vậy có thể ảnh hưởng đến đời sống của các sinh vật thủy sinh, gây ảnh hưởng đến sức khỏe của con người thông qua chuỗi thức ăn Hơn thế nữa, khi thủy ngân thâm nhập vào

cơ thể sống nó sẽ tích tụ trong thời gian rất dài, khó đào thải đồng thời gây nên nhiều tổn hại cho cơ thể Do vậy, xác định hàm lượng thủy ngân trong bùn lắng là rất cần thiết nhằm giúp cung cấp các thông tin về ô nhiễm thủy ngân cho cộng đồng, các nhà khoa học trong các lĩnh vực cũng như phục vụ trong công tác quản lý nhằm giảm thiểu nguy cơ phát thải, hạn chế khả năng xâm nhập của các hợp chất này vào chuỗi thức ăn của người và động thực vật

7

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Đại cương về thủy ngân

1.1.1 Các hằng số và tính chất hóa lý của nguyên tố Hg

Các tính chất hóa lý của nguyên tố Hg đuợc tóm tắt trong bảng 1.1

Phần này chỉ trình bày một số tính chất hóa lý quan trọng nhất có liên quan trực tiếp đến đề tài này

1.1.1.1 Khả năng tạo hợp chất cơ kim

Thủy ngân (II) tạo nên một lượng lớn chất cơ kim, trong đó nhiều chất có hoạt tính sinh học Những hợp chất cơ thủy ngân có công thức tổng quát là RHgX và

R2Hg (R là gốc hydrocarbon và X là anion gốc acid)

Trong số các loại hợp chất thủy ngân hữu cơ, methyl thủy ngân là dạng phổ biến nhất Các hợp chất thủy ngân vô cơ tích tụ trong đất và bùn lắng dưới tác động của

hệ vi khuẩn có trong đất và bùn lắng sẽ chuyển hóa thành methyl thủy ngân Đây là nguồn chính tạo ra methyl thủy ngân trong tự nhiên

Những hợp chất cơ thủy ngân thường là hợp chất cộng hóa trị, tan trong dung môi hữu cơ nhiều hơn trong nước Chỉ có những hợp chất dạng RHgX với X là Cl-,

Các hỗn hống thường bị phân hủy dưới tác động của nhiệt độ Tùy theo kim loại tạo hỗn hống mà nhiệt độ cần để phân hủy hỗn hống khác nhau Khi bị phân hủy, hỗn hống sẽ giải phóng hơi thủy ngân và kim loại Tính chất tạo hỗn hống của Hg đuợc ứng dụng trong nhiều ngành khoa học kỹ thuật khác nhau Trong hóa học phân tích, tính chất này đuợc ứng dụng nổi bật trong phương pháp cực phổ có dùng điện

8

cực giọt Hg Trong phân tích siêu vi lượng Hg, một lần nữa tính chất này đuợc dùng

để tích góp siêu vi lượng Hg trong những mẫu có nồng độ thấp, nền mẫu phức tạp

và như vậy đã giúp mở rộng khả năng của phương pháp phân tích

Cơ chế hình thành hỗn hống vàng-thủy ngân [28]

Khi thủy ngân đơn chất tiếp xúc với vàng kim loại, các nguyên tử thủy ngân sẽ bị giữ lại trên bề mặt vàng theo cơ chế hấp phụ Các nguyên tử thủy ngân được chuyển vào bên trong lớp nguyên tử vàng ở lớp bề mặt đồng thời các nguyên tử vàng từ lớp

bề mặt được chuyển lên trên đỉnh của lớp này bởi quá trình hoán đổi chỗ Những nguyên tử vàng bị trục xuất này khuếch tán và liên kết với nhau thành các đụn nhỏ Tại mép của các đụn này, các nguyên tử thủy ngân tiếp tục được chuyển vào bên trong lớp bề mặt và đẩy các nguyên tử vàng lên trên Quá trình này được lặp lại cho đến khi toàn bộ bề mặt vàng được bão hòa bởi các nguyên tử thủy ngân

Trong quá trình hấp phụ thủy lên bề mặt vàng, tốc độ hấp phụ tăng dần cho đến khi bề mặt vàng bắt đầu đạt trạng thái bão hòa thì giảm xuống dần (bão hòa là trạng thái mà tốc độ hấp phụ bắt đầu giảm xuống) Tốc độ hấp phụ phụ thuộc vào nhiệt độ của vàng ở cả giai đoạn hấp phụ ban đầu và sau khi đạt bão hòa

Thủy ngân được giải phóng khỏi hỗn hống vàng-thủy ngân ở nhiệt độ khoảng

100oC Tuy nhiên để phân hủy hoàn toàn hỗn hống cần nâng nhiệt độ lên 600 –

800oC

9

Bảng 1.1: Một số thông tin về nguyên tố thủy ngân và các hợp chất thủy ngân*

*Để gọn nhẹ và tôn trọng bản quyền của tác giả, chúng tôi không chuyển ngữ bảng này

10

1.1.2 Hoạt tính sinh học

Thủy ngân là chất độc có khả năng tích lũy sinh học dễ dàng hấp thụ qua da, các

cơ quan hô hấp và tiêu hóa Các dạng hóa học của thủy ngân khác nhau về cả đặc điểm sinh học, dược động học và độc tính Thủy ngân vô cơ ít độc hơn so với hợp chất thủy ngân hữu cơ (methyl thủy ngân, ethyl thủy ngân) Ngộ độc thủy ngân kim loại chủ yếu qua đường hô hấp và qua da do đặc tính dễ bay hơi của thủy ngân kim loại Đối với thủy ngân hữu cơ, con đường chính gây ngộ độc là do ăn uống, đặc biệt do ăn phải cá biển có chứa methyl thủy ngân Theo WHO, lượng thủy ngân tối

đa cho phép đưa vào cơ thể theo con đường ăn uống là 0.1 µg Hg/kg thể trọng/ ngày [39]

Các biểu hiện lâm sàng do ngộ độc thủy ngân rất đa dạng Đối với hệ thần kinh trung ương có các biểu hiện như căng thẳng, mất ngủ, suy giảm trí nhớ, mất tập trung, suy giảm thính giác, thị giác… Ảnh hưởng trên hệ tiêu hóa gây buồn nôn, tiêu chảy, viêm đại tràng Ngoài ra, độc tính của thủy ngân còn ảnh hưởng trên thận như gây bệnh protein niệu, suy thận cấp tính [22]

Khi vào cơ thể, thủy ngân tập trung nhiều ở thận và não và dễ dàng truyền qua cho thai nhi thông qua nhau thai Độc tính của thủy ngân được giải thích do khả năng tạo liên kết cộng hóa trị của thủy ngân với nhóm –SH của các enzyme trong các vi thể và ty thể cũng như liên kết với các nhóm chức khác như carboxyl, amide, amine, phosphoryl gây cản trở các enzyme và chức năng vận chuyển tế bào [27] Ngoài ra, thủy ngân còn gây ức chế chức năng miễn dịch của Mn và Zn dẫn đến sự thiếu hụt các enzyme chống oxi hóa vốn đóng vai trò quan trọng trong các bệnh như Alzheimer, Parkinson, ung thư …

Thủy ngân được đào thải qua nước tiểu, phân, qua đường hô hấp và qua sữa mẹ Chu kỳ bán hủy của thủy ngân kim loại là 60 ngày, của thủy ngân vô cơ là 40 ngày, methyl thủy ngân là 70 ngày và dimethyl thủy ngân là 20 ngày [39]

Mỹ, Trung Âu và Nam Trung Quốc Ở các khu vực này, thủy ngân tồn tại ở dạng HgS màu đỏ gọi là quặng cinnabar Nguồn thủy ngân này phát thải một cách tự nhiên vào môi trường do các hoạt động địa nhiệt, địa chất và núi lửa Ước tính trên toàn thế giới hàng năm lượng thủy ngân phát thải do hoạt động địa nhiệt khoảng 60 tấn, phát thải từ đất đá khoảng 500 tấn và phát thải do núi lửa từ 75-700 tấn [31], [41]

1.1.3.2 Các hoạt động nhân sinh

Song hành với sự phát triển của các ngành công nghiệp tại nước ta hiện nay luôn

là vấn đề ô nhiễm môi trường, trong đó có vấn đề ô nhiễm do thủy ngân Ước tính toàn cầu năm 2005, lượng thủy ngân do con người phát thải vào khí quyển khoảng

1930 tấn [42] Nguồn phát thải chính là từ hoạt động đốt cháy nhiên liệu hóa thạch, đặc biệt là than đá Bên cạnh đó, một số ngành công nghiệp cũng thải thủy ngân vào môi trường như ngành sản xuất xi măng, luyện kim, sản xuất gang thép, sản xuất NaOH

Tổng lượng thủy ngân do con người phát thải trên toàn thế giới vào môi trường giữ mức không đổi kể từ năm 1990 Lượng thủy ngân do Mỹ và châu Âu phát thải

đã giảm từ vài thập kỷ trước Tuy nhiên, sự phát thải thủy ngân ở châu Á và các nước đang phát triển vẫn tiếp tục gia tăng, nhất là ở các nước sử dụng than trong sản xuất điện Sự phát thải ở châu Á chiếm 50% lượng thủy ngân phát thải toàn cầu do con người [31]

1.1.4 Chu trình biến đổi của thủy ngân trong tự nhiên

Chu trình của thủy ngân trong môi trường là kết quả của các hoạt động tự nhiên

và của con người Thủy ngân trong môi trường được biến đổi liên tục và tái sinh thông qua một chu trình sinh hóa Chu trình này gồm 6 giai đoạn chính:

12

- Giai đoạn 1: hơi thủy ngân sinh ra từ đất, đá và nước bề mặt hoặc thoát ra từ núi lửa và từ các hoạt động của con người

- Giai đoạn 2: thủy ngân ở dạng hơi di chuyển trong khí quyển

- Giai đoạn 3: thủy ngân bám lên đất và khuếch tán vào nước bề mặt

- Giai đoạn 4: thủy ngân đơn chất được biến đổi thành HgS không tan

- Giai đoạn 5: sự kết tủa hoặc chuyển hóa sinh học HgS sang dạng dễ bay hơi hơn Hg kim loại hoặc sang dạng dễ tan như methyl thủy ngân

- Giai đoạn 6: thủy ngân xâm nhập trở lại khí quyển hoặc tích tụ sinh học trong chuỗi thức ăn [44]

Hình 1.1: Chu trình biến đổi của thủy ngân trong tự nhiên [44]

1.2 Các phương pháp xác định vi lượng thủy ngân được dùng phổ biến

1.2.1 Phương pháp phổ phát xạ ghép cặp cảm ứng cao tần (ICP-OES)

Phổ phát xạ nguyên tử ghép cặp cảm ứng cao tần là phương pháp phổ phát xạ sử dụng nguồn năng lượng cảm ứng cao tần để kích thích nguyên tử và ion phát xạ Do nguồn kích thích có nhiệt độ cao nên phương pháp này có những ưu điểm:

13

- Có thể kích thích hầu hết các nguyên tố tạo ra phổ phát xạ của chúng Do đó

có thể định lượng được đồng thời nhiều nguyên tố một lúc với tốc độ phân tích rất cao (từ 40 – 120 mẫu/ giờ)

- Khoảng tuyến tính rộng nên dễ dàng xây dựng đường chuẩn và hạn chế được vấn đề pha loãng mẫu

- Tăng giới hạn phát hiện

- Gần như không có nhiễu hóa học

- Độ đúng và độ chính xác cao

Mặc dù phương pháp ICP có thể phân tích ở hàm lượng vết đối với hơn 70 nguyên tố trong bảng tuần hoàn nhưng có một số nguyên tố không thể phân tích ở hàm lượng vết bằng phương pháp này như: các khí hiếm, các nguyên tố C, H, O, N, các nguyên tố halogen, các nguyên tố phóng xạ

Giới hạn phát hiện đối với hầu hết các nguyên tố là ppb, riêng đối với Hg là 1ppb [40], khá thấp so với các phương pháp quang phổ khác

ICP-OES là phương pháp ít nhiễu nhất trong số các phương pháp phân tích phổ nguyên tử Do nguồn kích thích plasma có nhiệt độ cao nên phương pháp ICP hạn chế được gần như hoàn toàn nhiễu hóa học Tuy nhiên, có một loại nhiễu hóa học vẫn tồn tại trong phương pháp này gây ra bởi các nguyên tố dễ bị ion hóa tức những nguyên tố có thế ion hóa thấp như các nguyên tố kim loại kiềm Khi ở nồng độ cao, các nguyên tố này có thể làm giảm hoặc tăng cường tín hiệu phát xạ tùy theo nguyên tố phân tích Để loại trừ nhiễu này có thể pha loãng mẫu hoặc tăng tần số nguồn phát sóng radio

Loại nhiễu phổ biến nhất trong phương pháp ICP là nhiễu quang phổ Vì ICP có thể kích thích hầu hết các nguyên tố có trong plasma nên phổ phát xạ thu được rất dày đặc, đặc biết đối với mẫu có nền phức tạp và nền có nồng độ cao Để loại trừ nhiễu này cần sử dụng thiết bị tách sóng có độ phân giải cao, áp dụng kỹ thuật hiệu chỉnh nền hoặc thay đổi bước sóng khác đặc trưng cho nguyên tố cần phân tích [4], [14], [40], [43]

14

1.2.2 Phương pháp khối phổ ghép nối cảm ứng cao tần (ICP-MS)

Phương pháp khối phổ ghép nối cảm ứng cao tần là phương pháp phân tích sử dụng nguồn năng lượng cảm ứng cao tần để ion hóa mẫu phân tích cung cấp các ion cho đầu dò khối phổ Theo truyền thống, ICP-MS thường không được xem như là một phương pháp phổ nguyên tử (vốn được mặc định là quang phổ) mà là phổ khối lượng Tuy nhiên ngày nay ICPMS đã chiếm một chỗ trong “gia đình” các phuơng pháp phổ nguyên tử do gần gũi với nhau về ứng dụng hơn là sự phân loại chính xác theo khoa học Đây là sự lựa chọn hàng đầu khi cần phân tích kim loại ở hàm lượng vết Ưu điểm vượt trội của phương pháp này là giới hạn phát hiện của thiết bị (IDL) rất thấp (ở mức ppt) đối với hầu hết các nguyên tố Ngoài ra, khoảng làm việc rộng,

độ lặp lại cao, không chịu ảnh hưởng của nền mẫu và có thể phân tích đồng vị cũng

là những ưu điểm của phương pháp này

Giới hạn phát hiện của thiết bị đối với nguyên tố thủy ngân trong khoảng từ 1-10 ppt Trong thực tế, giới hạn phát hiện của phương pháp (MDL) có thể lớn hơn từ gấp 2 đến gấp 10 lần IDL, điều này tùy thuộc vào nhiều yếu tố như phòng thí nghiệm, thiết bị, nền mẫu, phương pháp lấy và xử lý mẫu và tay nghề của người phân tích

Mặc dù phương pháp ICP-MS có nhiều ưu điểm vượt trội so với các phương pháp phân tích quang phổ khác nhưng do chi phí cao nên phương pháp này chưa được sử dụng rộng rãi [32], [35]

1.2.3 Phương pháp quang phổ huỳnh quang nguyên tử (AFS)

Nguyên tắc phương pháp:

Hơi thủy ngân được chiếu sáng bởi một nguồn sáng đơn sắc có bước sóng 253.7

nm phát ra từ đèn cathod rỗng Các nguyên tử thủy ngân hấp thu bức xạ kích hoạt này, ngay sau đó (trong tích tắc) phát ra bức xạ huỳnh quang theo mọi hướng ở bước sóng 253.7nm (ứng với bước chuyển điện tử 3P1 – 1S0) Để ghi đo được cường

độ tia huỳnh quang phát ra mà không bị ảnh hưởng bởi bức xạ phát ra từ đèn cathode rỗng, người ta bố trí đo tia huỳnh quang tại vị trí thẳng góc với tia tới Dựa vào cường độ của bức xạ huỳnh quang phát ra để xác định hàm lượng thủy ngân có

15

trong mẫu

Trong phương pháp này cần sử dụng khí Ar tinh khiết 99.999% làm khí mang Nếu sử dụng khí nitrogen sẽ làm giảm độ nhạy đi 8 lần và sử dụng không khí sẽ làm giảm độ nhạy đến 30 lần [20]

Phương pháp AFS cũng gặp phải những nhiễu tương tự như trong phương pháp AAS: nhiễu hóa học, nhiễu quang phổ Tuy nhiên, so với phương pháp AAS thì AFS có lợi điểm là độ nhạy cao hơn Phương pháp CV-AFS có thể phân tích thủy ngân ở nồng độ ng/L trong khi phương pháp CV-AAS chỉ có thể phân tích thủy ngân ở nồng độ µg/ L [17], [20]

AFS ứng dụng thích hợp trong lĩnh vực nghiên cứu cấu trúc điện tử của nguyên

tử và trong phân tích định lượng nguyên tố Nó được sử dụng trong phân tích kim loại trong các mẫu sinh học, nông nghiệp, công nghiệp và mẫu môi trường

1.2.4 Phương pháp phổ hấp thu nguyên tử (AAS)

1.2.4.1 Nguyên tắc của phương pháp

Phương pháp phân tích phổ hấp thu nguyên tử dựa trên cơ sở đo phổ hấp thu nguyên tử của nguyên tố Cơ sở lý thuyết của phép đo này là sự hấp thu năng lượng của nguyên tử tự do ở trạng thái hơi (khí) khi chiếu chùm tia bức xạ qua đám hơi của nguyên tố ấy trong môi trường hấp thu Để thực hiện được phép đo phổ hấp thu nguyên tử của một nguyên tố cần thực hiện các quá trình sau:

- Chọn điều kiện, phương pháp và thiết bị phù hợp để chuyển mẫu phân tích từ trạng thái ban đầu (rắn hay dung dịch) thành trạng thái hơi của các nguyên tử

tự do Đó là quá trình hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu Hơi nguyên tử tự do chính là môi trường hấp thu bức xạ và sinh ra phổ hấp thu nguyên tử Với đa

số các nguyên tố, quá trình này được thực hiện ở nhiệt độ cao với các nguồn nhiệt sử dụng là ngọn lửa đèn khí hay nguồn nhiệt điện

- Chiếu chùm tia bức xạ đặc trưng của nguyên tố cần phân tích qua đám hơi nguyên tử Các nguyên tử của nguyên tố cần xác định trong đám hơi đó sẽ hấp thu những tia bức xạ nhất định và tạo ra phổ hấp thu của nó Phần cường

độ của tia bức xạ đã bị một loại nguyên tử hấp thu phụ thuộc vào nồng độ của

9 A λ : độ hấp thu của nguyên tố phân tích tại λ

Hg có hai vạch cộng hưởng: 184.949 nm ứng với bước chuyển điện tử từ trạng thái 61So đến 61Po

1 và vạch 253.651 nm ứng với bước chuyển điện tử từ trạng thái

61So đến 63Po1 Vạch 253.651 nm tương ứng với sự chuyển điện tử từ trạng thái triplet sang singlet không tuân theo quy tắc lọc lựa nên có lực dao động tử thấp (bước chuyển không đuợc phép) Vạch 184.949nm mặc dù rất nhạy (bước chuyển được phép) nhưng thường không được dùng trong AAS vì bước sóng này nằm trong vùng tử ngoại chân không, bị hấp thu mạnh bởi không khí và các sản phẩm cháy sinh ra trong ngọn lửa hay trong lò graphite nên phép định lượng khó thực hiện được Vì vậy người ta thường sử dụng vạch 253.651 nm mặc dù có độ nhạy kém hơn vạch 184.949 nm khoảng 48 lần, thực tế từ 20-40 lần [4]

1.2.4.2 Thiết bị dùng trong phép đo AAS

Muốn thực hiện phép đo phổ hấp thu nguyên tử, hệ thống máy đo phổ hấp thu nguyên tử phải bao gồm các phần sau:

17

Hình: 1.2: Sơ đồ hệ thống máy đo phổ hấp thu nguyên tử (Figure 2-2)[34]

- Phần 1: nguồn phát tia bức xạ đặc trưng cho nguyên tố cần phân tích để chiếu vào môi trường hấp thu chứa các nguyên tử tự do của nguyên tố và bộ phận chia bức xạ để tạo chùm sáng quy chiếu và chùm sáng qua mẫu (thiết bị hai chùm tia) Nguồn phát tia bức xạ có thể là đèn cathode rỗng (HCL), đèn phóng điện không điện cực (EDL) hay nguồn phát bức xạ liên tục (đèn Xe)

- Phần 2: hệ thống nguyên tử hóa mẫu phân tích Hệ thống này được chế tạo theo một trong các kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu sau: kỹ thuật nguyên tử hóa bằng ngọn lửa đèn khí (F-AAS), kỹ thuật nguyên tử hóa trong lò graphite (GF-AAS) và kỹ thuật nguyên tử hóa nhiệt độ thấp trong ống thạch anh tương ứng với các kỹ thuật tạo hơi hydride (HG-AAS) hay kỹ thuật hóa hơi lạnh (CV-AAS)

- Phần 3: hệ thống quang-điện của máy quang phổ hấp thu Hệ thống quang gồm

tổ hợp các thấu/lăng kính giúp truyền dẫn các chùm bức xạ từ nguồn theo một

lộ trình cần thiết và bộ đơn sắc có nhiệm vụ thu, phân li và chọn vạch phổ cần

đo hướng vào nhân quang điện để phát hiện tín hiệu hấp thu AAS của vạch phổ Hệ thống điện gồm hệ mạch điện-điện tử giúp điều khiển các thiết bị quang và phần mềm phục vụ trong phép đo, xử lý và hiển thị kết quả ghi đo [4]

1.2.4.3 Ưu điểm và hạn chế của phép đo AAS trong phân tích Hg

- Ưu điểm: [4]

9 Phép đo AAS có độ chọn lọc tương đối cao, đây có lẽ là ưu điểm lớn nhất của phương pháp này so với các phương pháp xác định Hg khác Tùy

18

thuộc và kỹ thuật nguyên tử hóa, độ nhạy (S) của phép đo có thể chênh lệch nhau đến khoảng vài chục đến vài ngàn lần trong khi nhiễu nền (N) không chênh lệch nhiều Phân tích Hg bằng phương pháp AAS có thể thực hiện đuợc bằng các kỹ thuật nguyên tử hóa ngọn lửa, lò graphite, hóa hơi lạnh Giới hạn phát hiện của các kỹ thuật này là 5000 ng/mL (F-AAS); 7.5 ng/mL (GF-AAS) và 0.468 ng/mL (CV-AAS)

9 Thao tác thực hiện tương đối đơn giản Các kết quả phân tích cũng rất ổn định, độ chính xác tương đối cao

- Hạn chế: [4]

9 Phương pháp phổ nguyên tử là phương pháp phân tích nguyên tố nên chỉ cho biết thành phần nguyên tố của chất ở trong mẫu phân tích mà không biết được trạng thái liên kết của nguyên tố Như vậy kết quả phân tích có thể không cho phép đánh giá chính xác hoạt tính thực tế của nguyên tố phân tích trong trường hợp nguyên tố này tồn tại ở các dạng khác nhau có các hoạt tính khác nhau

9 Do phép đo AAS có độ nhạy cao nên sự nhiễm bẩn rất có ý nghĩa đối với kết quả phân tích hàm lượng vết Vì vậy môi trường không khí trong phòng thí nghiệm phải sạch, các dụng cụ, hóa chất dùng trong phép đo phải có độ tinh khiết cao Đây là một khó khăn khi ứng dụng phương pháp phân tích này

1.2.4.4 Các kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu thường dùng trong phân tích vi

lượng Hg bằng phương pháp AAS

9 Do có độ nhạy rất kém, kỹ thuật nguyên tử hóa dùng ngọn lửa không đuợc sử dụng để phân tích vi lượng Hg [4]

9 Kỹ thuật lò graphite mặc dù khá nhạy nhưng độ ổn định rất kém đặc biệt khi dùng trong phân tích mẫu có nền phức tạp Các nghiên cứu cơ bản về việc sử dụng kỹ thuật nguyên tử hóa mẫu này khá nhiều nhưng thực tế ứng dụng không nhiều

19

9 Hóa hơi lạnh [1], [10] có thể nói là kỹ thuật duy nhất hiệu quả đuợc dùng trong phân tích Hg không những bằng phương pháp AAS mà còn dùng phổ biến trong huỳnh quang nguyên tử, phát xạ nguyên tử Kỹ thuật này tận dụng đặc tính chỉ có Hg mới có: có thể nguyên tử hóa ở nhiệt độ thường Áp suất hơi của kim loại khá cao, 0.0016 mbar, ở 20oC tương đương với nồng độ thủy ngân khoảng 14 μg/L khí Vì vậy không cần dùng nhiệt độ cao để nguyên tử hóa thủy ngân như các nguyên tố khác Quá trình cắt đứt liên kết phân tử tuy có thể thực hiện bằng nhiệt như thông thường nhưng đối với Hg, quá trình này được thực hiện bằng con đường hóa học nhẹ nhàng hơn và hiệu quả hơn Như vậy toàn bộ quá trình nguyên tử hóa Hg đều đuợc tiến hành ở nhiệt độ thường và tên gọi “hóa hơi lạnh” xuất phát từ thực tế này

1.2.4.5 Kỹ thuật hóa hơi lạnh

9 Nguyên tắc chung của kỹ thuật hóa hơi lạnh: Ion Hg2+ trong dung dịch mẫu bị khử thành Hg nguyên tố nhờ một chất khử (Red) thích hợp theo phương trình phản ứng Hg2+ + Red Æ Hgo + Ox Sau khi khử xong, hơi thủy ngân nguyên tử được lôi cuốn ra khỏi dung dịch mẫu bằng một dòng khí mang (thường là N2, Ar hay không khí) đến ống hấp thu bằng thạch anh/thủy tinh hoặc plastic Do hơi thủy ngân nguyên tử gần như không thể chuyển hóa thành hợp chất thủy ngân nên sự hấp thu của thủy ngân là ổn định

9 Chất khử thường được sử dụng là SnCl2 hoặc NaBH4 trong đó SnCl2 là chất khử yếu hơn được dùng để khử Hg2+ trong những mẫu có nền không quá phức tạp NaBH4 là chất khử mạnh hơn có khả năng khử nhiều dạng

Hg cả vô cơ lẫn hữu cơ thành Hg nguyên tố nên NaBH4 được dùng trong phân tích thủy ngân tổng số hoặc trong những đối tượng mẫu có nền phức tạp Khi sử dụng NaBH4 làm chất khử, tránh dùng không khí làm khí mang do trong không khí có oxygen có thể tạo với hydrogen sinh ra trong phản ứng khử của NaBH4 một hỗn hợp nổ

ở dạng phức

o Quá trình lôi cuốn thủy ngân tùy thuộc vào động học của quá trình sục khí và thể tích mẫu trong bình phản ứng: nếu sục mạnh, thể tích mẫu nhỏ thì thời gian lôi cuốn hoàn toàn thủy ngân trong mẫu sẽ ngắn

o Sự hiện diện của các kim loại có thể tạo hỗn hống với thủy ngân Nếu trong mẫu có Cu, Ag hay Au thì chỉ có một phần nhỏ thủy ngân bị lôi cuốn theo khí mang tới cell đo, phần lớn còn lại đã bị giữ lại trong dung dịch ở dạng hỗn hống Đây là mặt trái của hiện tượng tạo hỗn hống trong phân tích vi lượng Hg Vấn đề này chỉ xảy ra khi dùng chất khử đủ mạnh có thể khử các ion kim loại tạo hỗn hống Hg như

Au, Ag, Cu… thành dạng kim loại nano Đối với mẫu nước môi trường, ảnh hưởng loại này không nghiêm trọng nhưng đối với mẫu rắn (đất, bùn lắng…) thì loại ảnh hưởng này có thể xuất hiện tùy hàm lượng các ion kim loại gây nhiễu thấp hay cao

o Thể tích cell đo và và thể tích đường ống dẫn khí

9 Với phương pháp hóa hơi lạnh, cách thức tạo thành và vận chuyển hơi nguyên tử thủy ngân đến ống thạch anh rất quan trọng Hơi thủy ngân được tạo thành theo các cách sau:

ƒ Kiểu khử thủy ngân theo từng mẻ (batch mode): cho một thể tích dung

dịch mẫu vào bình phản ứng, sau đó cho một lượng chất khử phù hợp vào và sục liên tục với một dòng khí mang Các hợp chất của thủy ngân sẽ bị khử thành thủy ngân nguyên tố Nhờ dòng khí mang thủy ngân sinh ra trong dung dịch sẽ bị lôi cuốn dần dần đến cell đo Khi quan sát sẽ thấy tín hiệu hấp thu tăng nhanh và đạt cực đại rồi giảm

21

dần cho đến 0, lúc này toàn bộ thủy ngân trong mẫu đã bị lôi cuốn hết

Hệ này có thể lôi cuốn hoàn toàn thủy ngân có trong mẫu nhưng tùy thuộc vào một số yếu tố (đa phần là yếu tố động học như đã nêu trên)

mà thời gian lôi cuốn có thể rất lâu (10 phút) Để rút ngắn thời gian

đo, phân tích viên có thể thu tín hiệu đo khi mật độ hơi Hg lôi cuốn đạt cực đại, tức là đo chiều cao peak Mức độ lôi cuốn phụ thuộc vào tốc độ sục, dạng tồn tại của thủy ngân trong mẫu và thể tích mẫu trong bình phản ứng Phương pháp này là có thể phân tích nhanh lượng Hg trong dung dịch xác định nhưng độ chính xác không cao nếu nền mẫu

và chuẩn khác nhau nhiều tức là mức độ khử và lôi cuốn Hg giữa mẫu

và chuẩn khác nhau

Hình 1.3: Hệ thống tạo thủy ngân gián đoạn (batch mode) dùng trong phân tích

thủy ngân theo phương pháp CV AAS [13]

ƒ Kiểu khử thủy ngân theo mẻ và lôi cuốn tuần hoàn (batch circulation): giống như kiểu thứ nhất nhưng hơi thủy ngân sau khi đến ống thạch anh sẽ được dẫn trở lại bình phản ứng Như vậy dòng khí mang sẽ chạy tuần hoàn giữa bình phản ứng và ống thạch anh Thủy ngân nguyên tố trong dung dịch sẽ được lôi cuốn dần dần vào pha khí cho đến khi đạt cân bằng Khi quan sát sẽ thấy tín hiệu hấp thu tăng

mode-22

dần dần và đạt tới ổn định (đường nằm ngang) Độ nhạy phụ thuộc vào thể tích ống thạch anh, thể tích ống dẫn và thể tích khoảng không trong bình phản ứng Độ nhạy ít phụ thuộc vào dạng tồn tại của thủy ngân trong mẫu Chất khử thường dùng là SnCl2 nếu mẫu có nền đơn giản và NaBH4 nếu mẫu có nền phức tạp

Hình 1.4: Sơ đồ hệ thống hóa hơi Hg tuần hoàn Shimadzu MVU-1 [38]

ƒ Kiểu khử thủy ngân theo dòng chảy liên tục (continuous flow): mẫu và

chất khử được bơm liên tục vào bình phản ứng và trộn với nhau Hơi thủy ngân nguyên tử sinh ra được lôi cuốn liên tục đến ống thạch anh

Do các hóa chất di chuyển liên tục nên trong hệ này chỉ một phần thủy ngân trong mẫu phản ứng và đến được ống thạch anh Độ nhạy tùy thuộc vào tốc độ bơm mẫu, dạng tồn tại của thủy ngân trong mẫu, loại chất khử sử dụng (SnCl2 hoặc NaBH4) tốc độ khí mang và thể tích ống thạch anh Thông thường chất khử mạnh được dùng trong hệ này.Tín hiệu phân tích là đường thẳng nằm ngang, ổn định

23

Hình 1.5: Hệ thống tạo thủy ngân theo dòng chảy liên tục (continuous flow) dùng

trong phân tích thủy ngân theo phương pháp CV AAS [13]

QTA = quartz tube atomizer; GLS = gas-liquid separator

ƒ Kiểu tạo thủy ngân theo tiêm dòng chảy (flow injection): chất khử và

chất mang được bơm liên tục vào hệ trong khi đó một thể tích mẫu nhất định (thường là 500 μL) được bơm vào và trộn với chất khử và khí mang Các quá trình phản ứng và lôi cuốn tương tự như các quá trình diễn ra trong hệ "continuous flow" Tín hiệu phân tích là dạng peak Do lượng dung dịch vào và ra bình phản ứng liên tục nên chỉ một phần thủy ngân trong mẫu đến được ống thạch anh, phần còn lại sẽ đi vào bình chứa chất thải Tín hiệu thu được không phải của toàn bộ lượng thủy ngân có trong mẫu nên giới hạn phát hiện của phương pháp này kém hơn

so với phương pháp khử Hg theo mẻ Tuy nhiên phương pháp này có ưu điểm là nhanh chóng và có thể tự động hóa dễ dàng nên thích hợp cho phân tích nhiều mẫu

24

Hình 1.6: Hệ thống tạo thủy ngân theo tiêm dòng chảy (flow injection) dùng trong

phân tích thủy ngân theo phương pháp CV AAS (FIASS-400 – Perkin Elmer) [13]

1.2.5 Phương pháp phổ hấp thu nguyên tử hóa hơi lạnh kết hợp làm giàu mẫu trên bẫy vàng (CV-Amalgam-AAS)

Phổ hấp thu nguyên tử hóa hơi lạnh là một trong những phương pháp phổ biến nhất dùng để xác định hàm lượng thủy ngân trong nhiều đối tượng mẫu khác nhau Tuy nhiên trong nhiều trường hợp kỹ thuật hóa hơi lạnh nguyên thủy không đáp ứng yêu cầu về độ nhạy cho những mẫu thực tế Kỹ thuật cải tiến cho phép tích góp toàn bộ lượng Hg lôi cuốn trong một thời gian dài lên một bẫy và giải phóng hoàn toàn lượng Hg tích góp trong một thời gian rất ngắn Kỹ thuật tích góp thực tế giúp gia tăng tỷ lệ S/N so với kỹ thuật truyền thống Bẫy thông dụng nhất là hợp kim Au/Pt hoặc Au Trong nghiên cứu này chúng tôi dùng bẫy Au do cách thức chế tạo của bẫy này khá đơn giản và rẻ hơn nhiều so với bẫy Au/Pt [15]

So với kỹ thuật CV truyền thống, kỹ thuật cải tiến CV–Amalgam có giới hạn phát hiện thấp hơn nhiều, ít nhiễu hơn do các hợp chất trong mẫu bị lôi cuốn cùng với hơi Hg không lưu giữ trên bẫy vàng và bị thổi khỏi hệ thống trước khi đo

1.2.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến việc xác định thủy ngân bằng phương pháp

CV- Amalgam- AAS

9 Ảnh hưởng vật lý:

26

Bao gồm các thông số vật lý của thiết bị có ảnh hưởng đến hiệu suất lôi cuốn hơi thủy ngân đến cell hấp thu

ƒ Lưu lượng khí mang: khí mang có vai trò lôi cuốn thủy ngân ra khỏi dung

dịch trong bình phản ứng đến tích góp tại bẫy vàng và lôi cuốn thủy ngân

từ bẫy vàng đến ống hấp thu nên lưu lượng khí mang ảnh hưởng đến hiệu suất lôi cuốn thủy ngân ra khỏi dung dịch và thời gian lưu của hơi thủy ngân trong ống hấp thu, từ đó ảnh hưởng lên tín hiệu hấp thu Khi lưu lượng khí mang càng lớn thì sự lôi cuốn hơi thủy ngân sẽ càng nhanh và hoàn toàn Tuy nhiên, khi đó thời gian lưu của thủy ngân trong ống hấp thu sẽ càng thấp dẫn đến tín hiệu hấp thu nhỏ, tức độ nhạy giảm Ngược lại nếu tốc độ khí mang nhỏ thì thời gian lưu của hơi thủy ngân trong ống hấp thu dài, tín hiệu hấp thu cao hơn nhưng nếu tốc độ khí mang thấp quá thì sự lôi cuốn hơi thủy ngân sẽ diễn ra chậm hơn đòi hỏi phải tăng thời gian ghi tín hiệu Nếu thời gian ghi đo tăng thì độ ổn định của tín hiệu kém hơn do sự bất ổn định của thiết bị Vì vậy phải chọn lưu lượng khí mang hợp lý để tín hiệu đo tối ưu mà thời gian phản ứng chấp nhận được

Do phương pháp CV-Amalgam-AAS có độ nhạy cao nên khí mang sử dụng phải đảm bảo độ tinh khiết cao và Ar 99.999% là sự lựa chọn thích hợp nhất [1]

ƒ Thể tích dung dịch trong bình phản ứng: khi thể tích dung dịch ở các dung

dịch đo khác nhau không đồng nhất thì sự lôi cuốn thủy ngân trong mỗi trường hợp sẽ khác nhau Khi thể tích dung dịch trong bình phản ứng nhỏ thì quá trình lôi cuốn thủy ngân sẽ nhanh và hoàn toàn hơn Do đó cần cố định thể tích dung dịch trong bình phản ứng để quá trình lôi cuốn thủy ngân được đồng nhất giữa các lần đo

9 Ảnh hưởng quang phổ:[37]

Trong phép phân tích thủy ngân, do kỹ thuật nguyên tử hóa được thực hiện ở nhiệt độ phòng, chỉ có thủy ngân bị nguyên tử hóa nên ảnh hưởng quang phổ chỉ có thể xuất hiện do sự hấp thu của những chất khí hoặc chất dễ bay hơi có phổ hấp thu

27

phân tử trùng lắp với phổ phát xạ của thủy ngân

ƒ Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi như chloroform, carbontetrachloride, benzene, toluene, acetone có khả năng hấp thu mạnh ở bước sóng 253.7 nm như thủy ngân gây sai số dương cho phép phân tích Để loại trừ ảnh hưởng của các dung môi hữu cơ này cần phải phân hủy mẫu để phá hủy hoàn toàn các hợp chất này

ƒ Riêng đối với khí Cl2 là sản phẩm sinh ra khi sử dụng KMnO4, K2S2O8trong quá trình xử lý mẫu Khí Cl2 cũng hấp thu ở bước sóng 253.7 nm làm tăng tín hiệu hấp thu nhưng tín hiệu chỉ tăng đáng kể khi Cl2 có nồng độ cao từ 1 mg/mL Do đó cần sục khí trơ vào dung dịch mẫu để đuổi hết khí Cl2 ra khỏi dung dịch hoặc dùng một chất khử thích hợp để khử Cl2 thành Cl- trước khi khử Hg2+ thành Hgo

9 Ảnh hưởng hóa học [25]

Ảnh hưởng hóa học gây ra do những chất phản ứng với ion Hg2+, Sn2+ làm giảm hiệu suất khử các hợp chất thủy ngân về thủy ngân kim loại hoặc những chất làm cản trở sự bay hơi của kim loại thủy ngân Tùy theo nồng độ của chất gây nhiễu có trong dung dịch mẫu mà mức độ ảnh hưởng khác nhau

ƒ Các ion kim loại quý như Au3+, Ag+, Pt4+ khi có mặt trong mẫu cùng với ion

Hg2+ bị khử thành kim loại Trừ Pt, các kim loại này tạo hỗn hốn với thủy ngân làm thủy ngân khó bay hơi, quá trình lôi cuốn thủy ngân đến ống hấp thu bị hạn chế, từ đó làm giảm tín hiệu hấp thu đo được

ƒ Một số ion kim loại nặng có thể tham gia cạnh tranh phản ứng khử với Hg2+làm giảm hiệu suất quá trình nguyên tử hóa Ảnh hưởng này ít xuất hiện hơn khi sử dụng SnCl2 làm chất khử so với khi sử dụng NaBH4 vì SnCl2 có tính khử yếu hơn NaBH4

ƒ Các chất oxyhóa mạnh như HNO3, KMnO4, K2Cr2O7 ở nồng độ cao làm giảm hoạt tính khử của SnCl2 hay NaBH4 Để loại trừ ảnh hưởng này tránh dùng dư chất oxi hóa hoặc dùng thêm một chất khử khác để phản ứng hết với các chất oxi hóa dư

28

ƒ Các anion như I-, Br-, CN- tạo phức bền với Hg2+, làm giảm thế oxy hóa khử của cặp Hg2+/Hgo Khi đó nếu dùng SnCl2 là chất khử thì ion Hg2+ trong phức khó bị khử, thậm chí không khử được Để khắc phục ảnh hưởng này nên dùng chất khử là NaBH4

Bảng 1.2: Nồng độ giới hạn của một số nguyên tố được phép có trong dung dịch mẫu [25]

1.3.1.1 Mẫu nước mặt, nước thải sinh hoạt và công nghiệp

Ngay sau khi lấy mẫu phải thêm HNO3 đặc đến pH ≤ l Nếu không thể tiến hành xác định ngay sau khi lấy mẫu, thêm acid nitric và 4mL dung dịch KMnO4 cho mỗi

L mẫu và nếu cần có thể tăng lượng KMnO4 đến khi đạt được màu tím bền

Lấy phần mẫu thử, hoặc một phần nhỏ hơn được pha loãng thành 100mL, chứa không quá l µg Hg, vào bình nón nút thủy tinh Thêm cẩn thận 10mL H2SO4 đặc và 2.5mL HNO3 đặc, lắc đều sau mỗi lần thêm Thêm 15mL dung dịch KMnO4 0.05 g/mL Nếu màu tím đậm không bền trong 15 phút thì thêm tiếp 15mL KMnO4 nữa

để được màu tím bền Sau đó thêm 8mL dung dịch K2S2O8 0.05 g/mL và đun 2 giờ trên bếp cách thủy 95oC Để nguội đến nhiệt độ phòng Khử chất oxi hóa dư bằng cách thêm NH2OH.HCl 0.1 g/mL đến khi dung dịch vừa mất màu và toàn bộ MnO2tan hết [8]

29

1.3.1.2 Mẫu nước uống, nước dùng để chế biến thực phẩm và nước giải khát

Vô cơ hoá phần mẫu thử bằng cách chiếu tia cực tím trong 10 phút để phá hủy các chất hữu cơ và các hợp chất hữu cơ – thủy ngân và để chuyển toàn bộ thủy ngân thành dạng thủy ngân (II) [8]

1.3.1.3 Mẫu nước ngọt, nước mềm, nước biển (nước mặn), nước uống và các

loại nước khác chứa lượng nhỏ các chất hữu cơ

Ngay sau khi lấy mẫu, điều chỉnh pH ≤ 1 bằng dung dịch HNO3 10M để hạn chế

sự mất thủy ngân do bay hơi Nếu không phân tích ngay sau khi lấy mẫu thì thêm 10mL dung dịch Br2 1.5% (w/v) cho mỗi L mẫu Cho mẫu vào bình nón, thêm 1mL dung dịch Br2 (trừ khi đã thêm khi lấy mẫu) Đậy nút bình và lắc đều Đun nóng 4 giờ ở 45oC Lắc đều và để nguội đến nhiệt độ phòng [8]

1.3.2 Xử lý mẫu rau quả

Mẫu rau quả được phân hủy trong hệ như hình 1.8:

Hình 1.8: Hệ thống xử lý mẫu rau quả [9]

30

Bộ phận (A) kiểu bình Soxhlet, có khóa vặn và một ống bên nối trực tiếp với bình cầu (D)

Bộ phận làm lạnh (C) được nối tiếp với phần dưới của A

Bình cầu (D) có một cổ thứ 2, được nối qua khớp với một phễu (B) (để chứa acid

Thận trọng thêm hỗn hợp HNO3 và H2SO4 đặc (1:1) Đun ở nhiệt độ thấp, nếu dung dịch có màu nâu thì thêm HNO3 từng giọt một Tiếp tục đun cho đến khi quan sát các chất xơ đã bị phân hủy Đóng khóa của bộ Soxhlet lại để giữ hơi nước và acid, tiếp tục đun nóng, dung dịch sẽ cô đặc lại Nếu quan sát thấy có màu nâu thì thêm vài giọt HNO3 lượng vừa đủ để làm sáng mẫu Tiếp tục đun đến khi đuổi hết khói trắng phía trên dung dịch mẫu Chú ý điều chỉnh nhiệt độ sao cho luồng khói trắng không vượt quá nửa bộ phận làm lạnh C Dung dịch phải không màu hoặc có màu vàng nhạt, để nguội Thận trọng rút nước và các acid ở A cho vào bình cầu D bằng cách mở khóa Thêm vài mL (NH2)2CO và đun sôi hồi lưu trong 30 phút, sau

đó để nguội Tráng kỹ bộ phận làm lạnh C và bộ phận Soxhlet A bằng HNO3 loãng Gộp phần dung dịch rửa và dung dịch mẫu trong bình cầu D cho vào bình định mức [9]

1.3.3 Xử lý mẫu thịt và sản phẩm từ thịt

Mẫu thịt cần phân tích được thái nhỏ, nghiền mịn, trộn đều, cân 10g cho vào bình Kjeldahl, thêm dần 10 - 15 mL H2SO4 98% vào và lắc trong nồi cách thủy ở nhiệt độ 50 - 60oC cho đến khi mẫu tan hết, chuyển dung dịch này sang bình định mức 50 mL và để lắng 1 giờ trong nước đá

31

Thêm dần 15mL KMnO4 6% vào bình vừa cho vừa lắc sau đó để yên 30 phút ở nhiệt độ phòng Định mức bằng HCl 1M đến thể tích 50 mL Bình đựng mẫu phân tích phải được đậy kín bằng nút nhựa PE Mẫu ở trạng thái này có thể bảo quản 1 ngày mà không mất thuỷ ngân [7]

1.3.4 Xử lý mẫu đất

Đối với mẫu đất, bùn lắng có thể được xử lý theo phương pháp vô cơ hóa khô hoặc vô cơ hóa ướt Khi vô cơ hóa khô, mẫu được phân hủy ở nhiệt độ cao trong bình kín Hơi thủy ngân giải phóng ra khỏi mẫu được hấp phụ trên bẫy vàng Sau đó đun nóng bẫy vàng để giải phóng hơi thủy ngân [12] Trong phương pháp vô cơ hóa ướt, mẫu được phân hủy bởi các acid HNO3, H2SO4 và HClO4 trong hệ thống đun hoàn lưu [29] Một cách khác để vô cơ hóa mẫu đất là phân hủy mẫu trong bình Kjeldahl bởi các chất oxi hóa như HNO3, H2SO4 và KMnO4 Hydroxylamin được sử dụng để khử chất oxi hóa dư và hòa tan hoàn toàn MnO2 [10] Các phương pháp xử

lý mẫu trên đều cho hiệu suất thu hồi tốt, đáp ứng được yêu cầu phân tích thủy ngân

1.3.5 Xử lý mẫu bùn lắng

Đối với mẫu bùn lắng có khá nhiều quy trình xử lý mẫu được nghiên cứu Các quy trình này thường sử dụng các acid mạnh và các chất có tính oxi hóa mạnh để oxi hóa các chất hữu cơ có trong mẫu và đưa thủy ngân về dạng Hg2+ Theo EPA – Method 245.5, mẫu được phân hủy bởi hỗn hợp HNO3 – HCl (1:3) và KMnO4 ở nhiệt độ 95oC, sau đó dùng hydroxylamine khử KMnO4 dư và hòa tan hoàn toàn MnO2 [19] Một quy trình khác cũng tương tự như Method 245.5 nhưng acid sử dụng là HNO3 và H2SO4, chất oxi hóa là KMnO4 và K2S2O8, không sử dụng hydroxylamin [24] Trong một nghiên cứu khác lại sử dụng K2Cr2O7 và H2SO4 để

vô cơ hoá mẫu trong hệ thống đun hoàn lưu [37] Năng lượng vi sóng cũng được ứng dụng trong phân hủy mẫu do ưu điểm nhanh và vô cơ hóa mẫu hoàn toàn [36]

32

1.4 Mục tiêu của đề tài

Hiện nay trên thế giới đã có nhiều quy trình phân tích cho phép xác định hàm lượng thủy ngân tổng số trong bùn lắng ở mức ppb hoặc thấp hơn được trình bày trong các báo cáo khoa học, một số đã được công bố như những quy trình chuẩn Hầu hết các quy trình phân tích đó đều sử dụng phép đo phổ hấp thu nguyên tử hóa hơi lạnh, chỉ khác nhau ở giai đoạn xử lý mẫu và đó cũng chính là giai đoạn quan trọng nhất trong quy trình phân tích thủy ngân trong bùn lắng Đối với ở Việt Nam, qua tìm hiểu tôi nhận thấy ở nước ta chưa có một tiêu chuẩn riêng về quy trình phân tích thủy ngân trong bùn lắng mà các phòng thí nghiệm thường áp dụng các tiêu chuẩn quốc tế với nhiều cách hiểu và vận dụng khác nhau Chính vì thế việc nghiên cứu khảo sát kỹ phương pháp xử lÝ mẫu phân tích tổng Hg trong mẫu bùn lắng với các tiêu chí đơn giản, ít tốn kém, cho phép xác định tổng hàm lượng thủy ngân với

độ chính xác và tin cậy cao là rất cần thiết Xuất phát từ thực tế đó tôi đã thực hiện

đề tài “Xác định thủy ngân tổng số trong bùn lắng bằng phương pháp phổ hấp thu nguyên tử hóa hơi lạnh (CV-Amalgam-AAS)” Mục tiêu của đề tài:

- Tìm hiểu, lựa chọn và áp dụng một quy trình chuẩn đã được thừa nhận của nước ngoài để phân tích hàm lượng thủy ngân có trong mẫu trầm tích chuẩn quốc

tế, qua đó ghi nhận những thay đổi cần điều chỉnh để quy trình phù hợp với điều kiện thực tế phòng thí nghiệm của nước ta hơn, tạo điều kiện thuận lợi cho việc áp dụng quy trình đó vào thực tế

- Nghiên cứu và xây dựng một quy trình phân tích riêng, đơn giản, có độ tin cậy cao cho phép xác định hàm lượng thủy ngân tổng số trong bùn lắng dựa trên phương pháp phổ hấp thu nguyên tử

- Định trị quy trình phân tích tự xây dựng

33

1.5 Nội dung nghiên cứu:

Phần thực nghiệm tôi tiến hành nghiên cứu các vấn đề sau:

9 Kiểm soát nhiễm bẩn trong phân tích thủy ngân

9 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân tích xác định thủy ngân bằng phương pháp CV-Amalgam-AAS

9 Khảo sát quy trình xử lý mẫu bùn lắng xác định thủy ngân tổng số của EPA

và định trị quy trình

9 Xây dựng và định trị quy trình xử lý mẫu với hệ thống phân hủy mẫu Kjeldahl phục vụ cho việc xác định hàm lượng thủy ngân tổng số trong bùn lắng

34

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 2.1 Thiết bị-hóa chất, pha chế hóa chất

9 Máy biến thế dùng để gia nhiêt bẫy vàng

9 Đồng hồ đo lưu lượng khí mang

9 Băng keo chịu nhiệt

9 Bể đun cách thủy

9 Hệ thống đun mẫu Kjeldahl có kiểm soát nhiệt độ đến 400 oC

9 Lò vi sóng Multiwave 3000 (Anton Paar)

9 Máy ly tâm

9 Các dụng cụ thủy tinh: pipette, becher, bình định mức

9 Ống ly tâm nhựa 50 mL

2.1.2 Hóa chất

9 KMnO4, K2S2O8, (NH3OH)2SO4 (Merck)

9 Acid: H2SO4, HNO3 (Merck), HClO4 (Trung Quốc)

9 Dung dịch K2S2O8 6% w/v: cân 6g K2S2O8 pha thành 100 mL với nước cất Dung dịch này chỉ sử dụng trong ngày

9 Dung dịch (NH3OH)2SO4 12% w/v: cân 12g (NH3OH)2SO4 pha thành 100

mL với nước cất Dung dịch này chỉ sử dụng trong ngày

2.2 Lấy, xử lý sơ bộ và bảo quản mẫu mẫu bùn lắng

2.2.1 Lấy mẫu

Mẫu bùn lắng được lấy tại kênh Tàu Hủ khi thủy triều xuống, là bùn lắng bề mặt, gần bờ Mẫu được lấy có lẫn một ít nước, dụng cụ chứa mẫu là bình thủy tinh Mẫu được cho vào thùng xốp có để sẵn nước đá và vận chuyển ngay về nơi lưu trữ

2.2.2 Xử lý sơ bộ mẫu và bảo quản mẫu

Mẫu sau khi lấy về được loại bỏ hết rác, sỏi đá, đổ bỏ phần nuớc trong trên bề mặt và chứa trong bình thủy tinh có nắp đậy kín ngăn chặn sự nhiễm bẩn từ bên ngoài và trữ trong ngăn mát tủ lạnh (nhiệt độ khoảng 5oC) để hạn chế sự mất mát thủy ngân do bay hơi

2.3 Kiểm soát nhiễm bẩn trong phân tích thủy ngân:

Trong phân tích định lượng thủy ngân, hai vấn đề khó khăn nhất cần phải giải quyết đó là nhiễm bẩn và mất mẫu trong quá trình phân tích Phép phân tích thủy