các phương pháp hiện đại trong phân tích môi trường

Là sự đánh giá môi trường tự nhiên và những suy thoái do con người cũng như do các nguyên nhân khác gây ra. Phân tích môi trường bao gồm các quan trắc (monitoring) về các yếu tố môi trường nói chung. Qua việc phân tích môi trường, chúng ta có thể biết được yếu tố nào cần được quan trắc, biện pháp nào cần được áp dụng để quản lý, giúp chúng ta có thể tránh khỏi các thảm họa sinh thái (ecological disaster) có thể xảy ra.

Các phương pháp hiện đại trong

Phân tích Môi trường

Th.S TRẦN NGUYỄN VÂN NHI

1

NỘI DUNG

 Chương I MỞ ĐẦU

 Chương II PHƯƠNG PHÁP TRẮC QUANG

 Chương III PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA

 Chương IV PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ

 Chương V PHƯƠNG PHÁP KHỐI PHỔ

 Chương VI PHÂN TÍCH NƯỚC

 Chương VII PHÂN TÍCH KHÍ

 Chương VIII PHÂN TÍCH ĐẤT

2

TÀI LiỆU THAM KHẢO

3

xuất bản

Nhà xuất bản

1 Lê Đức và đồng sự Một số phương pháp phân tích môi trường 2003 NXB ĐHQGHN

2 Roger Reeve Introduction to environmental analysis 2002 John Wiley and Sons Ltd

3 John R.Dean Extraction Methods for Environmental Analysis 1998 Wiley

Chương I: Mở đầu

1 Khái niệm phân tích môi trường

2 Khái niệm hóa phân tích

3 Sự lựa chọn phương pháp để phân tích môi trường

4 Đảm bảo chất lượng phân tích (QA; QC)

5 Độ chính xác và độ tin cậy của phép phân tích - Giá trị của các số liệu trong phân tích môi

trường

4

1 Phân tích môi trường

 Là sự đánh giá môi trường tự nhiên và những suy thoái do con người cũng như do các nguyên nhân khác gây ra

 Phân tích môi trường bao gồm các quan trắc (monitoring) về các yếu tố môi trường nói chung

 Qua việc phân tích môi trường, chúng ta có thể biết được yếu tố nào cần được quan trắc, biện pháp nào cần được áp dụng để quản lý, giúp chúng ta có thể tránh khỏi các thảm họa sinh thái (ecological disaster) có thể xảy ra.

5

1 Phân tích môi trường (TT)

Nghiên cứu sinh thái

Để có thể hiểu biết và đánh giá về một hệ sinh thái đòi hỏi:

 Quan trắc đầy đủ sự biến động theo không gian và thời gian của cả các yếu tố môi trường

 Tiếp cận về chất lượng và cả số lượng có liên quan đến cấu trúc và chức năng của hệ

Đó là các tính chất lý, hóa và sinh học của hệ sinh thái.

6

Sources of organic pollutants found in the environment

Sources of organic pollutants found in the environment

8

2 Khái niệm hóa phân tích

 Hóa học phân tích là môn khoa học về các phương pháp xác định thành phần định tính và định lượng của các chất và hỗn hợp của chúng Như vậy, hóa phân tích bao gồm các phương pháp phát hiện, nhận biết cũng như các phương pháp xác định hàm lượng của các chất trong các mẫu cần phân tích

 Phân tích định tính (quality) nhằm xác định chất phân tích gồm những nguyên tố hóa học nào, những

ion, những nhóm nguyên tử hoặc các phần tử nào có trong thành phần chất phân tích

 Phân tích định lượng (quantity) cho phép xác định thành phần về lượng các hợp phần của chất cần

phân tích.

9

Các bước thực hiện khi phân tích một đối tượng

 Chọn phương pháp phân tích thích hợp: Khi thực hiện bước này cần phải đặc biệt chú ý đến tầm quan trọng, ý nghĩa pháp lý và kinh tế

của công việc phân tích, chú ý đến độ đúng đắn, độ lặp lại và tính khả thi của phương pháp phân tích.

 Chọn mẫu đại diện là mẫu có thành phần phản ánh đúng nhất cho thành phần của đối tượng phân tích Từ đó chuẩn bị mẫu thí nghiệm là

mẫu dùng để tiến hành phân tích chất cần xác định Sau đó thực hiện việc biến mẫu này thành dung dịch phân tích.

 Tách chất: Để phân tích các mẫu có thành phần phức tạp thường phải tách hoặc là các chất lạ, hoặc là các chất ngăn cản phép xác định

chất cần phân tích hoặc tách riêng chất cần phân tích ra khỏi hỗn hợp với các chất khác.

 Tiến hành định lượng chất cần phân tích, tức là thực hiện các thao tác, các phép đo đạc phân tích để xác định nồng độ hoặc hàm lượng

chất cần phân tích trong dung dịch mẫu đã chuẩn bị trong bước trên.

 Tính toán kết quả phân tích, đánh giá độ tin cậy của các kết quả đó.

10

Sự cần thiết của phân tích hóa học

 Khảo sát để xác định mức độ ô nhiễm môi trường

 Quyết định phương pháp kiểm soát phù hợp để hạn chế ô nhiễm

 Thường xuyên đánh giá để đảm bảo vấn đề ô nhiễm được kiểm soát.

11

3 Sự lựa chọn phương pháp để phân tích môi trường

 Sử dụng phương pháp phân tích nào?

 Lượng mẫu có đủ cho phòng thí nghiệm không?

 Yếu tố nào hạn chế sự phát hiện, độ chính xác của các phương pháp phân tích được sử dụng?

 Người sẽ tiến hành phân tích?

 Những vấn đề gì cần chú ý để tránh làm bẩn mẫu trong quá trình bảo quản mẫu.

 Các chỉ tiêu nào cần phân tích để phản ánh thực tế khả năng độc hại của môi trường? Hàm lượng hay dạng tồn tại

của các nguyên tố hoá học?

12

4 Đảm bảo chất lượng phân tích (QA; QC)

Đảm bảo chất lượng (QA: Quality Assurance) bao gồm:

 Phải tuân thủ theo các hướng dẫn, nguyên tắc đã được đưa ra để kết quả phân tích có độ tin cậy và tính pháp lý cao

 Việc lấy mẫu, bảo quản mẫu của các phòng thí nghiệm và trách nhiệm cũng như kỹ năng của các cá nhân phân tích và người chịu

trách nhiệm

Kiểm soát chất lượng (QC: Quality Control) phòng thí nghiệm bao gồm:

 Các tài liệu và phương pháp tiêu chuẩn, các phép thử, kiểm tra thường xuyên các thuốc thử, máy móc, xác định độ chính xác và độ tin

cậy của phép phân tích, chuẩn bị sơ đồ kiểm tra.

 Chuẩn bị đường chuẩn: Các đường chuẩn được xây dựng trên cơ sở các phép đo màu hoặc sắc ký khí ở các nồng độ khác nhau và

được chuẩn bị hàng ngày trước khi phân tích mẫu Nếu kết quả có sai số ±15% thì cần phải xây dựng lại đường chuẩn.

13

4 Đảm bảo chất lượng phân tích (QA; QC)

 Tại hiện trường ( lấy mẫu; vận chuyển mẫu; đo, phân tích tại hiện trường; thuốc thử hoá chất bảo

quản mẫu; dụng cụ chứa mẫu )

 Trong phòng thí nghiệm

 Trong tính toán kết quả, ghi chép số liệu phân tích

 Trong báo cáo kết quả

14

4.1.1 Hoạt động lấy mẫu

Mục tiêu chương trình kiểm soát chất lượng lấy mẫu:

 Cung cấp được những phương pháp giám sát và phát hiện các sai sót do lấy mẫu và do đó có các biện pháp loại trừ các dữ liệu không hợp lệ hoặc sai

lạc

 Chứng minh được rằng các sai số lấy mẫu đã được kiểm soát một cách thích hợp

 Chỉ ra được các thay đổi của việc lấy mẫu và từ đó truy nguyên các nguồn gốc gây sai số

 Mục tiêu của việc lấy mẫu là lấy được một thể tích mẫu đủ để vận chuyển và xử lý trong phòng thí nghiệm nhằm phân tích chính xác các thông số cần

thiết tại vị trí lấy mẫu

 Tuỳ thuộc vào mục đích lấy mẫu là để phân tích các chỉ tiêu (thông số) lý học, hoá học hay vi sinh mà lựa chọn phương pháp lấy mẫu thích hợp

 Mẫu được lấy phải đại diện cho khu vực về không gian và thời gian và đáp ứng được các yêu cầu của phân tích môi trường.

15

4.1.1.1 Kế hoạch đảm bảo chất lượng lấy mẫu

 Các nhân viên lấy mẫu đều đã được đào tạo và tập huấn

 Chuẩn bị công tác thực địa chu đáo: dụng cụ, thiết bị, hoá chất thuốc thử bảo quản mẫu phải đầy đủ và phù hợp

 Đảm bảo rằng các phương pháp lấy mẫu đều được phổ biến tới tất cả các nhân viên

 Đảm bảo rằng mỗi một bước lấy mẫu hiện nay và quá trình lấy mẫu trước đây đều tuân theo một văn bản

 Đảm bảo rằng dụng cụ lấy mẫu và máy móc đo đạc hiện trường phải được bảo trì và hiệu chuẩn định kỳ, sổ sách bảo trì cần phải được

lưu giữ

 Quy định thống nhất về nhận dạng mẫu được lấy bao gồm dán nhãn lên tất cả các mẫu được lấy, trên đó ghi chép chính xác ngày tháng,

địa điểm, thời gian lấy mẫu và tên người lấy mẫu, số mã hiệu của mẫu bằng mực không thấm nước

16

 Quy định về ghi chép lại tất cả các chi tiết có liên quan đến việc lấy mẫu vào biên bản/nhật ký lấy mẫu, những điều kiện và các biến

động bất thường từ kỹ thuật lấy mẫu thông thường đến những yêu cầu đặc biệt

 Quy định về điều kiện, nơi để các dụng cụ tránh làm nhiễm bẩn mẫu, làm sạch dụng cụ lấy mẫu, kiểm tra độ sạch và hiệu quả của dụng

cụ (bằng cách phân tích mẫu trắng và mẫu so sánh thích hợp)

 Quy định về tiến hành bảo quản mẫu cho từng thông số chất lượng nước, trầm tích, phù du, vi sinh vật theo các chỉ dẫn trong các tiêu

chuẩn tương ứng

 Bảo đảm độ chính xác của các phép đo, phân tích ngoài hiện trường khi các điều kiện môi trường không được đảm bảo Các thông số

hiện trường (nhiệt độ, độ ẩm, áp suất ) cần phải ghi chép khi lấy mẫu để chuyển đổi các giá trị đo được về điều kiện tiêu chuẩn khi lập báo cáo, thí dụ: sốliệu pH phải chuyển về điều kiện 250C

17

4.1.1.1 Kế hoạch đảm bảo chất lượng lấy mẫu

Lưu ý

Cần phải mô tả chi tiết:

 Quá trình trao đổi chi tiết để cho những người chưa có nhiều kinh nghiệm vẫn có đủ khả năng để hoàn thành việc lấy và xử lý mẫu;

 Quá trình chuẩn bị thuốc thử và bảo quản;

 Hướng dẫn sử dụng dụng cụ lấy mẫu, máy đo hiện trường bổ xung cho các tài liệu vận hành của nhà sản xuất;

 Phương pháp chuẩn bị mẫu QC;

 Tiêu chí kiểm soát chất lượng (nghĩa là giới hạn chấp nhận);

 Phương pháp lấy mẫu và các tài liệu cần phải xem xét thường xuyên và không được quá 1 năm/một lần Phương pháp cần phải được

phê duyệt lại theo định kỳ đặc biệt có sựthay đổi về thiết bị hoặc con người

 Khi tài liệu được lưu giữ trong các file máy tính, những thay đổi về phương pháp lấy mẫu cần phải được phản ánh bằng cách thay đổi

các mã số máy tính có liên quan

18

Nguyên nhân gây ra sai số do lấy mẫu

 Nhiễm bẩn:

Nhiễm bẩn do các thiết bị lấy và chứa mẫu gây ra; do dụng cụ chứa mẫu bẩn; do sự lây nhiễm giữa các mẫu; do cách bảo quản, lưu kho

và bố trí vận chuyển mẫu không thích hợp

 Tính không ổn định của mẫu:

- Bản chất của mẫu

- Tương tác của mẫu với dụng cụ khác

- Ảnh hưởng của nhiệt độ, ánh sáng

 Lấy mẫu không chính xác:

- Quy trình lấy mẫu không phù hợp,

- Không tuân thủ đúng quy trình lấy mẫu

 Vận chuyển mẫu:

- Do thời gian vận chuyển mẫu quá giới hạn cho phép,

- Do điều kiện vận chuyển không phù hợp

19

 Mẫu trắng dụng cụ chứa mẫu

 Mẫu trắng dụng cụ lấy mẫu

 Mẫu trắng thiết bị lọc mẫu

 Mẫu trắng vận chuyển và mẫu trắng hiện trường

 Mẫu đúp (mẫu chia đôi)

 Mẫu lặp theo thời gian

 Mẫu lặp theo không gian

 Mẫu chuẩn đối chứng hiện trường

 Mẫu lặp hiện trường

 Mẫu thêm

204.1.1.2 Kiểm soát chất lượng hiện trường

4.1.2.1 QA trong vận chuyển mẫu

 Vận chuyển mẫu: cần phải có quy trình vận chuyển mẫu phù hợp nhằm bảo toàn mẫu về mặt số lượng và chất

lượng

 Trong quy trình cần nêu rõ một số điểm chính như sau:

- Mẫu khi vận chuyển phải có nhãn (ký hiệu) để tránh nhầm lẫn

- Thủ tục sắp xếp mẫu nhằm tránh đổ vỡ

- Yêu cầu trong quá trình vận chuyển: thời gian vận chuyển và nhiệt độ của mẫu, yêu cầu này dựa theo tiêu chuẩn (TCVN, ISO) đối với từng thông số quan trắc và cách bảo quản mẫu

27

4.1.2.2 QC trong vận chuyển mẫu

 Để kiểm soát chất lượng trong quá trình vận chuyển mẫu, mẫu kiểm soát chất lượng thường được sử dụng:

Mẫu trắng vận chuyển

28

4.1.3 QA/QC trong đo, phân tích tại hiện trường

 Một số thông số không bền như nhiệt độ, pH, DO, chất rắn lơ lửng, độ đục cần được xác định tại chỗ hoặc ngay sau khi lấy mẫu càng sớm

càng tốt

 Khi đo, phân tích tại chỗ các thông số không bền, cần phải chú ý:

+ Lựa chọn phương pháp phân tích phù hợp để không hoặc ít bị ảnh hưởng của điều kiện bên ngoài hoặc tạo các điều kiện môi trường thích hợp (như phòng thí nghiệm di động, bố trí buồng làm việc trên tàu ) để bảo đảm kết quả phân tích

+ Những thay đổi bất thường khi lấy mẫu

+ Tình trạng hoạt động của thiết bị

+ Ngăn ngừa nhiễm bẩn mẫu

 Để đảm bảo các thiết bị hoạt động quan trắc ngoài hiện trường làm việc chính xác ổn định, cần phải định kỳ hiệu chuẩn các thiết bị này theo

các quy định của nhà sản xuất

 Tất cả hồ sơ hiệu chuẩn phải được lưu giữ.

29

4.1.4 Thuốc thử, hoá chất bảo quản mẫu

 Thuốc thử, hoá chất bảo quản mẫu: phải đạt độ tinh khiết theo yêu cầu của mức độ phân tích và có nhãn dán rõ ràng, có thể được đong

đo trước và cho vào các lọ nhỏ hoặc ampul và hàn kín để tránh phải pha chế ngoài hiện trường

 Nước cất sử dụng ngoài hiện trường cần phải: phù hợp với tiêu chuẩn, biết rõ nguồn gốc

 Dụng cụ chứa mẫu:

 Được làm sạch trước và đậy nắp Nếu có điều kiện phải bọc giấy tráng paraphin mỏng để chống bụi

 Phải được kiểm tra định kỳ để phát hiện nhiễm bẩn bằng cách lấy mẫu trắng hoặc thêm chất chuẩn ở nồng độ thấp

 Không được đựng mẫu trong dụng cụ chứa mẫu không có nắp đậy

 Trong những trường hợp khi phân tích ở độ nhạy cao phải sử dụng dụng cụ chứa mẫu hoàn toàn mới

30

Kiểm soát chất lượng và khắc phục sai sót

 Các kỹ thuật kiểm soát chất lượng phải được áp dụng cho từng mẫu được lấy, cho một loạt mẫu và các đo đạc được thực

hiện tại hiện trường

 Cần có sự trao đổi thông tin giữa người lấy mẫu và người phân tích để giải thích số liệu và có biện pháp khắc phục sai sót

 Số liệu và kết quả QC phải được tập hợp lại thành báo cáo

 Lập biểu đồ kiểm soát lặp để kiểm soát chất lượng số liệu (ISO 5667-14) Nếu kết quả phân tích mẫu QC vượt ra ngoài giới

hạn cho phép cần tiến hành các biện pháp khắc phục.

31

4.2 QA/QC trong phòng thí nghiệm

 Các yêu cầu chung về năng lực phòng thí nghiệm phân tích môi trường

 Lựa chọn và công nhận phương pháp phân tích

 Kiểm soát chất lượng

32

4.2.1 Các yêu cầu chung về năng lực phòng thí nghiệm

Các yếu tố quyết định mức độ chính xác và độ tin cậy của phép thử do phòng thí nghiệm thực hiện, bao gồm:

 Cơ cấu tổ chức phù hợp (người quản lý và người thực hiện)

 Yếu tố con người làm phân tích (công tác tập huấn, kiểm tra tay nghề),

 Trang thiết bị; quản lý, bảo dưỡng, kiểm chuẩn và hiệu chuẩn thiết bị,

 Điều kiện, vật chất, tiện nghi và môi trường,

 Quản lý mẫu thử,

 Phương pháp phân tích và hiệu lực của phương pháp,

 Chất chuẩn, mẫu chuẩn

33

4.2.1Các yêu cầu chung về năng lực phòng thí nghiệm

Phòng thí nghiệm phải tiến hành các thủ tục kiểm soát chất lượng, bao gồm:

 Thường xuyên sử dụng chất chuẩn được chứng nhận trong các phép thử,

 Tham gia các chương trình so sánh liên phòng hoặc thử nghiệm thành thạo,

 Tổ chức phân tích mẫu QC theo kế hoạch và duy trì thường xuyên

34

4.2.2 Quản lý mẫu

 Bảo quản mẫu nước trong thời gian ngắn: ở 40C

 Bảo quản mẫu nước trong thời gian dài: -200C

 Với các mẫu sinh vật, tissue: -200C

 Với mẫu trầm tích: tuỳ vào đối tượng phân tích mà sử dụng mẫu ướt hay khô Nếu sử dụng mẫu khô phải làm khô

mẫu trong không khí, nhiệt độ phòng

 Có thể bảo quản mẫu bằng cách thêm hoá chất với những lượng thích hợp Nhưng hoá chất được chọn phải không

ảnh hưởng đến việc kiểm tra tiếp theo hoặc ảnh hưởng đến kết quả

 Ghi chép lại tất cả các bước bảo quản trong báo cáo kết quả

35

4.2.3 Lựa chọn và công nhận phương pháp phân tích

 Thông số phân tích

 Yêu cầu giới hạn phát hiện

 Độ chính xác của phương pháp (độ chính xác, độ chuẩn xác)

 Yêu cầu về khả năng so sánh số liệu

 Sự phù hợp của phương pháp với các điều kiện phòng thí nghiệm

 Phòng thí nghiệm phải tiến hành các thủ tục chấp nhận/phê duyệt phương pháp

36

4.2.4 Kiểm soát chất lượng bằng mẫu QC

 Các kết quả mẫu trắng hiện trường được so sánh với các kết quả mẫu trắng phòng thí nghiệm để phân biệt sự nhiễm bẩn

ngoài hiện trường và sự nhiễm bẩn trong phòng thí nghiệm

 Mẫu thêm hiện trường được so sánh với mẫu thêm phòng thí nghiệm để phân biệt các vấn đề bảo quản và vận chuyển mẫu ngoài hiện trường và các vấn đề bảo quản mẫu trong phòng thí nghiệm

 Mẫu lặp ngoài hiện trường được so sánh với mẫu lặp trong phòng thí nghiệm để phân biệt độ chuẩn xác của việc thu mẫu ngoài hiện trường với độ chuẩn xác của phân tích trong phòng thí nghiệm.

37

 Mẫu trắng thiết bị (Blanks)

 Mẫu trắng phương pháp (Method Blanks)

 Mẫu lặp (Replicates/Duplicates)

 Chuẩn thẩm tra (Control Standards)

 Chuẩn so sánh (Reference Standards)

 Mẫu chuẩn đối chứng (CRMs)

 Mẫu đồng hành (Surrogate Compounds)

384.2.4 Kiểm soát chất lượng bằng mẫu QC

4.3 QA/QC trong tính toán kết quả, ghi chép số liệu phân tích

 Ngày tháng phân tích, phương pháp phân tích

 Ký hiệu mẫu phân tích

 Ký hiệu và kết quả phân tích của mẫu kiểm tra

 Các giới hạn kiểm tra và cảnh báo

 Các sắc đồ, đồ thị (nếu có)

 Họ tên người phân tích, người tính toán và người kiểm tra

39

4.4 QA/QC trong báo cáo kết quả

- Tiêu đề

- Tên, địa chỉ phòng thí nghiệm tiến hành phân tích

- Tên, địa chỉ khách hàng

- Ngày, tháng lấy mẫu

- Ngày, giờ phân tích

- Ký hiệu mẫu

- Tình trạng mẫu khi đưa vào phân tích

- Phương pháp phân tích đã sử dụng

- Sai số cho phép

- Kết quả phân tích mẫu trắng thiết bị, mẫu trắng phòng thí nghiệm, mẫu đúp và mẫu lặp

- Kết quả phân tích mẫu

40

5 Độ chính xác và độ tin cậy của phép phân tích

như dáng hình quả chuông được gọi là đường cong phân bố chuẩn hoặc đường

Gauss (Gaussian Curve) như hình bên (trong nhiều mẫu môi trường bị nhiễm bẩn

thì kết quả sẽ không theo sự phân bố chuẩn)

Đường cong phân bố chuẩn 41

5 Độ chính xác và độ tin cậy của phép phân tích

x

42

5 Độ chính xác và độ tin cậy của phép phân tích

 Giá trị trung bình ( ) được tính bằng Σx/n (x: các giá trị đo; n: số lần đo)

 Độ lệch chuẩn (S) sẽ xác định chiều rộng của đồ thị phân bố và được tính như sau:

x

Độ lệch chuẩn cũng có thể được tính theo công thức như sau:

Trong đó : tổng bình phương của các giá trị đo

S

43

Ví dụ: Hàm lượng tổng số hiđrocacbon dầu mỏ - TPH (total petroleum hiđrocacbon) trong mẫu bị nhiễm bẩn với 6 lần phân tích là 5,3 -

4,9 - 5,1 - 5,5 - 4,7 và 5,0 mg/l Xác định độ lệch chuẩn như sau:

l mg

5 6

25 , 930 45

5 Độ chính xác và độ tin cậy của phép phân tích

 Độ lệch chuẩn tương đối (Relative Standard Deviation - RSD) hoặc hệ số biến thiên (Coefficient of variance -

CV) Đây là tỷ số giữa độ lệch chuẩn và giá trị trung bình đại số:

 Một cách khác biểu thị sai số là sai số chuẩn của giá trị trung bình (M), đây là tỷ số giữa S và căn bậc hai của

số lần đo (n)

% 100

⋅

=

x

S RSD

n

S

M =

45

5 Độ chính xác và độ tin cậy của phép phân tích

2

2 1

1 2 2

a a

or a a RPD

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

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

Độ khác nhau phần trăm tương đối (Relative percent difference - RPD) Tỷ số này được xác định thông qua sự phân tích lặp lại hai

lần mẫu trong một điều kiện xác định Đó là tỷ lệ phần trăm giữa hiệu số của kết quả giữa hai lần phân tích với giá trị trung bình cộng của chúng.

( ) 100 % 13 , 5 % 2

7 , 9 1 , 11

7 , 9 1 ,