Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm bộ phân tích nhanh Florua trong nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LƯƠNG THANH THẢO NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM BỘ PHÂN TÍCH NHANH FLORUA TRONG NƯỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LƯƠNG THANH THẢO NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM BỘ PHÂN TÍCH NHANH FLORUA TRONG NƯỚC Chuyên ngành: Hóa môi trường Mã số: 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.Phương Thảo Hà Nội – Năm 2014 LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Phương Thảo, người đã hướng dẫn, truyền đạt những kinh nghiệm quý báu và tận tình giúp đỡ em hoàn thành luận văn này. Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, động viên và chỉ bảo rất nhiệt tình của các anh chị đi trước và tất cả bạn bè. Mặc dù đã cố gắng nỗ lực hết sức mình, song chắc chắn luận văn không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự thông cảm và chỉ bảo tận tình từ quý thầy cô và các bạn. MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 2 1.1. Vài nét về sự phân bố của flo trong tự nhiên. 2 1.2. Độc tính của florua 3 1.3. Tính chất của ion florua 5 1.3.1. Axit flohidric và các muối florua 5 1.3.2. Khả năng tạo phức của ion F - 8 1.4. Các phương pháp phân tích florua trong môi trường nước 10 1.4.1. Phương pháp phân tích trắc quang 10 1.4.2. Phương pháp điện thế dùng điện cực chọn lọc ion 10 1.4.3. Phương pháp chuẩn độ complexon (Xác định florua bằng PbCl 2 ) 11 1.4.4. Phương pháp xác định vi lượng flo 12 1.5. Cơ sở lý thuyết của phương pháp phân tích so màu xác định nhanh florua trong nước 14 1.5.1. Sự tạo phức của ion kim loại với các thuốc thử hữu cơ và sự phân hủy bởi F - 14 1.5.2. Một số thuốc thử hữu cơ tạo phức màu với Zirconi ứng dụng trong phân tích florua 16 1.6. Phương pháp thống kê xử lý các số liệu thực nghiệm 19 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM 21 2.1. Hóa chất và dụng cụ 21 2.1.1. Hóa chất 21 2.1.2. Dụng cụ 22 2.2. Nội dung và phương pháp thực nghiệm 23 2.2.1. Nội dung 23 2.2.2. Phương pháp nghiên cứu 23 2.2.2.1. Phương pháp SPADNS 24 a. Khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ thuốc thử 24 b. Khảo sát ảnh hưởng của thể tích dung dịch florua 24 c. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tới sự thay đổi màu 25 2.2.2.2. Phương pháp Xylenol da cam 25 a. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ thuốc thử 25 b. Khảo sát ảnh hưởng thể tích dung dịch florua 25 2.2.2.3. Phương pháp Alizarin đỏ S 26 a. Khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ thuốc thử và thể tích dung dịch florua 26 b. Khảo sát ảnh hưởng sự thay đổi màu theo thời gian 26 c. Khảo sát sự ảnh hưởng của các ion cạnh tranh tới phương pháp 26 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28 3.1. Phương pháp SPADNS 28 3.1.1. Ảnh hưởng thay đổi tỷ lệ thuốc thử trong phương pháp SPADNS 28 3.1.2. Ảnh hưởng thay đổi thể tích dung dịch florua trong phương pháp SPADNS 29 3.1.3. Ảnh hưởng của thời gian tới sự thay đổi màu trong phương pháp SPADNS 31 3.1.4. Đánh giá sai số của phương pháp 32 3.2. Phương pháp xylenol da cam 32 3.2.1. Ảnh hưởng tỷ lệ thuốc thử đối với phương pháp xylenol da cam 32 3.2.2. Ảnh hưởng thể tích dung dịch florua đối với phương pháp xylenol da cam 33 3.2.3. Ảnh hưởng của thời gian tới sự thay đổi màu trong phương pháp xylenol da cam 35 3.2.4. Đánh giá sai số của phương pháp 36 3.3. Phương pháp alizarin đỏ S 37 3.3.1. Khảo sát tỷ lệ thuốc thử và thể tích dung dịch florua đối với phương pháp alizarin đỏ S 37 3.3.2. Ảnh hưởng thời gian trong phương pháp alizarin đỏ S 40 3.3.3. Đánh giá sai số của phương pháp 42 3.3.4. Ảnh hưởng của các ion lạ 43 3.4. Xây dựng thử nghiệm bộ phân tích nhanh florua trong nước 44 a. Thành phần bộ phân tích nhanh florua trong nước 44 b. Qui trình phân tích 45 c. Giới hạn nồng độ nhận biết và các yếu tố ảnh hưởng 45 KẾT LUẬN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ thuốc thử trong phương pháp SPADNS 24 Bảng 2.2: Khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ thuốc thử và thể tích dung dịch florua trong phương pháp alizarin đỏ S 26 Bảng 3.1: Mật độ quang khi thay đổi tỷ lệ thuốc thử trong phương pháp SPADNS 28 Bảng 3.2: Mật độ quang khi thay đổi thể tích dung dịch florua trong phương pháp SPADNS. 30 Bảng 3.3: Mật độ quang theo thời gian trong phương pháp SPADNS 31 Bảng 3.4: Thông số thống kê của phương pháp SADNS. 32 Bảng 3.5: Mật độ quang khi thay đổi tỷ lệ thuốc thử trong phương pháp xylenol da cam. 33 Bảng 3.6: Mật độ quang khi thay đổi thể tích dung dịch florua trong phương pháp xylenol da cam 34 Bảng 3.7: Mật độ quang theo thời gian trong phương pháp xylenol da cam. 36 Bảng 3.8: Thông số thống kê của phương pháp Xylenol da cam 37 Bảng 3.9: Mật độ quang khi thay đổi tỷ lệ thuốc thử và thể tích dung dịch florua trong phương pháp alizarin đỏ S. 38 Bảng 3.10: Mật độ quang theo thời gian quang trong phương pháp alizarin đỏ S 41 Bảng 3.11: Thông số thống kê trong phương pháp alizarin đỏ S 42 Bảng 3.12: Ảnh hưởng của các ion đến mật độ quang trong phương pháp alizarin đỏ S. 43 DANH MỤC HÌNH Hình 3.1: Ảnh hưởng của tỷ lệ thuốc thử trong phương pháp SPADNS 29 Hình 3.2: Ảnh hưởng của thể tích dung dịch florua trong phương pháp SPADNS 30 Hình 3.3: Sự thay đổi màu sắc ở các nồng độ florua khác nhau với tỷ lệ mẫu+ thuốc thử là 10+1+1 31 Hình 3.4: Ảnh hưởng của thay đổi tỷ lệ thuốc thử đối với phương pháp xylenol da cam 33 Hình 3.5: Ảnh hưởng thể tích dung dịch florua đối với phương pháp xylenol da cam 34 Hình 3.6: Sự thay đổi màu sắc ở các nồng độ florua khác nhau trong phương pháp xylenol da cam với tỷ lệ mẫu thuốc thử là 10+ 1+ 2 35 Hình 3.7: Ảnh hưởng của thời gian tới phương pháp xylenol da cam 36 Hình 3.8: Ảnh hưởng của tỷ lệ thuốc thử và thể tích dung dịch florua tới mật độ quang trong phương pháp alizarin đỏ S. 38 Hình 3.9: Sự thay đổi màu sắc ở các nồng độ florua khác nhau trong phương pháp alizarin đỏ S khi tỷ lệ mẫu+ thuốc thử là 10+ 0,5+ 1 39 Hình 3.10: Sự thay đổi màu sắc ở các nồng độ florua khác nhau trong phương pháp alizarin đỏ S khi tỷ lệ mẫu + thuốc thử là 20+ 1+ 1 39 Hình 3.11: Sự thay đổi màu sắc ở các nồng độ florua khác nhau trong phương pháp alizarin đỏ S khi tỷ lệ mẫu + thuốc thử là 10+ 0,5+ 0,5 39 Hình 3.12: Sự phụ thuộc mật độ quang vào thời gian trong phương pháp alizarin đỏ S 41 Hình 3.13. Sự thay đổi màu sắc sau 5 phút trong phương pháp alizarin đỏ S 41 Hình 3.14. Ảnh hưởng của các ion đến mật độ quang trong phương pháp alizarin đỏ S. 43 Hình 3.15: Bảng màu xác định florua bằng phương pháp alizarin đỏ S 45 1 MỞ ĐẦU Thông thường, trên mặt đất, trong lòng đất và trong nước đều chứa flo. Trung bình trong nước biển nguyên tố flo chiếm khoảng 0,0001 % về khối lượng. Flo xâm nhập vào cơ thể người qua đường nước uống, thức ăn và không khí, đáp ứng nhu cầu phát triển bình thường của con người. Thiếu hụt hoặc dư thừa flo đều gây ra các bệnh lý về răng và xương. Nếu flo thâm nhập vào cơ thể con người quá mức cho phép sẽ gây ra căn bệnh "ngộ độc flo", chủ yếu biểu hiện: răng ngả màu vàng, ròn, dễ gãy và dễ rụng; đau buốt lưng, đùi, khớp xương khó cử động, dễ bị dị hình, có thể gây ra các chứng rối loạn trao đổi chất Thông thường, mỗi ngày một người cần 1÷1,5 mg F, trong đó 2/3 có trong nước uống, 1/3 có trong các loại thực phẩm khác. Nếu hàm lượng flo trong nước uống nhỏ hơn 0,5 mg/l thì tỷ lệ trẻ mắc bệnh về răng sẽ cao, nếu lớn hơn 1 mg/l thì tỷ lệ trẻ em mắc bệnh về răng khớp cũng sẽ cao. Khi phát hiện nguồn nước của một khu vực nhiễm độc flo, việc xác định nhanh hàm lượng flo là hết sức cần thiết. Hiện nay để phân tích florua trong môi trường nước, thường phải mang mẫu về phòng thí nghiệm phân tích, bằng các phương pháp đòi hỏi máy móc và kỹ thuật cao. Chưa có phương pháp nào xác định nhanh florua trong nước ngay tại hiện trường, vì vậy việc nghiên cứu chế tạo bộ phân tích nhanh florua trong nước theo chúng tôi là cần thiết và hữu ích. Đây chính là mục đích của đề tài. Yêu cầu của phương pháp: đơn giản, dễ thực hiện, không cần chuyên gia, trong thời gian ngắn, ngay tại hiện. Vì vậy, chúng tôi nghiên cứu đề tài "Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm bộ phân tích nhanh Florua trong nước". Chúng tôi hy vọng đề tài sẽ được nghiên cứu phát triển và ứng dụng xác định hàm lượng florua trong nước thải của các nhà máy cũng như nước sinh hoạt ở một số địa phương. 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Vài nét về sự phân bố của flo trong tự nhiên. Flo là nguyên tố tương đối phổ biến, trữ lượng ở trong vỏ Quả đất vào khoảng 0,02% tổng số nguyên tử. Phần lớn flo tập trung vào hai khoáng vật chính là florit (CaF 2 ) và Criolit (Na 3 [AlF 6 ]). Trong cơ thể người flo chủ yếu ở trong xương và men răng. Flo là nguyên tố có tính chất hóa học rất linh hoạt, thường có mặt ở khắp mọi nơi trong tự nhiên dưới các hình thức hợp chất hóa học. Trong nước thiên nhiên, hàm lượng flo thường nằm trong khoảng 0,01 ÷ 0,3 mg/l có khi lên tới 9,7 mg/l. Hàm lượng flo trung bình trong nước uống là 0,25 mg/l. Các nguồn gây ô nhiễm florua: - Từ hoạt động tự nhiên: Sự phong hóa các đá và khoáng vật chứa flo như floapatit [Ca 10 F 2 ( PO 4 ) 6 ], Criolit (Na 3 [AlF 6 ]), Florit (CaF 2 ) đã giải phóng flo vào nước ngầm và sông suối làm tăng dần hàm lượng flo trong nước. Khí florua được phát ra từ hoạt động núi lửa. - Từ hoạt động nhân tạo: + Hoạt động sản xuất nông nghiệp: việc sử dụng dư thừa lượng phân bón và hóa chất bảo vệ thực vật. + Xử lý chất thải rắn có chứa flo bằng phương pháp tiêu hủy phát thải các khí có chứa flo theo nước mưa xuống ao, hồ, sông, suối, kênh rạch. + Hoạt động sản xuất công nghiệp: nước thải của các nhà máy xí nghiệp sản xuất phân bón, sản xuất axit photphoric, sản xuất thủy tinh, gốm sứ, xi măng. Flo thường có trong vật liệu thô cho các quá trính sản xuất trên. Chẳng hạn, sản xuất phân photphat bằng sự axit hóa quặng apatit với axit sunfuric giải phóng ra hiđro florua theo phương trình sau đây là một ví dụ minh họa: 3[Ca 3 (PO 4 ) 2 ]CaF 2 + 7H 2 SO 4 = 3[Ca(H 2 PO 4 ) 2 ] + 7CaSO 4 + 2HF [1]. [...]... ý: Các dụng cụ dùng để phân tích florua bằng plastic 22 2.2 Nội dung và phương pháp thực nghiệm 2.2.1 Nội dung Có nhiều phương pháp xác định florua trong nước, nhưng với mục đích chế tạo bộ thử nghiệm phân tích nhanh florua trong nước chúng tôi chọn phương pháp trắc quang, phương pháp này cho phép nhận ra sự thay đổi nồng độ florua thông qua sự khác biệt màu, kết quả tương đối nhanh và chính xác * Nguyên... flo [8,9] Nhìn chung: có nhiều phương pháp phân tích hàm lượng flo trong nước Phương pháp thể tích công phu, tỉ mỉ mà dễ gây sai số, phương pháp điện thế gặp khó khăn về thiết bị Vì vậy, chúng tôi chọn phương pháp phân tích trắc quang dựa trên sự giảm màu của phức Zirconi với thuốc thử hữu cơ để tiến hành chế tạo thử nghiệm bộ phân tích nhanh florua trong nước Phương pháp này dễ thực hiện, có độ lặp... sát bằng mắt trong khoảng nồng độ florua nhất định, và bền với thời gian Vì vậy, trong đề tài luận văn này chúng tôi tiến hành nghiên cứu ba phương pháp SPADNS, xylenol da cam, alizarin đỏ S nhằm chọn ra thuốc thử hữu cơ thích hợp để chế tạo thử nghiệm bộ phân tích nhanh florua trong nước Với mỗi phương pháp chúng tôi tiến hành khảo sát: 1 Sự thay đổi màu khi thay đổi thể tích dung dịch florua 2 Sự... tiến hành phân tích florua trong các bể điện phân mạ crôm trong các đĩa hát và trong các loại phân bón 1.4.3 Phương pháp chuẩn độ complexon (Xác định florua bằng PbCl2) Thuốc thử: dung dịch PbCl2 0,75 % (0,03M) Điều chế nước bão hòa PbCl2 đun sôi, làm lạnh đến nhiệt độ phòng, lọc kết tủa lắng xuống và pha loãng nước lọc bằng một thể tích nước bằng 1/10 nước lọc Hàm lượng chính xác của Pb trong dung... với mục đích kiểm tra nhanh florua bằng mắt thường 1.5 Cơ sở lý thuyết của phương pháp phân tích so màu xác định nhanh florua trong nước 1.5.1 Sự tạo phức của ion kim loại với các thuốc thử hữu cơ và sự phân hủy bởi FIon florua tạo phức được với một loạt cation (Fe, Ti, Zr, ) Mặt khác, các cation này tạo được phức màu với nhiều thuốc thử Một số hợp chất màu này lại bị ion florua phân hủy, ví dụ như khi... nhạy nhất để định lượng ion florua đều sử dụng hợp chất màu của zirconi 1.4 Các phương pháp phân tích florua trong môi trường nước 1.4.1 Phương pháp phân tích trắc quang Phương pháp phân tích trắc quang là các phương pháp phân tích quang học dựa trên việc đo độ hấp thụ năng lượng ánh sáng của một chất xác định ở một vùng phổ nhất định Trong phương pháp này, chất cần phân tích được chuyển thành một hợp... trên Từ đó, chọn ra thuốc thử mà sự thay đổi màu là rõ rệt nhất để chế tạo thử nghiệm bộ phân tích nhanh florua 18 1.6 Phương pháp thống kê xử lý các số liệu thực nghiệm Để thu được kết quả trong phép phân tích có độ chính xác cao thì bên cạnh việc lựa chọn các điều kiện tối ưu, các thao tác thí nghiệm chuẩn xác thì việc xử lý kết quả thực nghiệm bằng phương pháp toán học thống kê cũng có vai trò quan... mg/l Trong môi trường axit, ion F- được chuyển thành HF và điện cực không nhạy với HF Ví dụ: Dùng điện cực chọn lọc F- để kiểm tra liên tục hàm lượng ion F- trong nước uống, xác định florua trong các mẫu không khí và các khói khi kiểm tra sự ô nhiễm môi trường, trong kem đánh răng, trong các loại thuốc chữa bệnh, trong nước tiểu, nước bọt, trong các loại xương, trong răng và trong nhiều loại vitamin Trong. .. tự Trái lại, florua tạo phức bền nhất là phức của zirconi Các nguyên tố khác của chu kỳ IV và V bảng HTTH tạo được phức florua hơi kém bền hơn Do có sự cạnh tranh giữa ion F- và ion OH- (nước) nên nhiều hợp chất florua của các nguyên tố nhóm IV và V bị thủy phân Đại đa số nguyên tố nhóm III cũng tạo được phức chất bền với florua Florua nguyên tố đất hiếm thực tế không tan trong nước và trong axit, tuy... orthophosphate, trong đá silicate, và từ các nguồn văn phòng phẩm, cho các giá trị florua với độ chính xác cao không cần thời gian chờ đợi [12] Như vậy, ba thuốc thử xét ở trên đều tạo phức màu đậm với zirconi và phức màu này bị phá hủy khi có mặt florua Trong đề tài này, chúng tôi nghiên cứu việc xác định hàm lượng florua dựa trên phản ứng phân hủy màu của zirconi với ba thuốc thử trên Từ đó, chọn ra thuốc thử . của các ion lạ 43 3.4. Xây dựng thử nghiệm bộ phân tích nhanh florua trong nước 44 a. Thành phần bộ phân tích nhanh florua trong nước 44 b. Qui trình phân tích 45 c. Giới hạn nồng độ nhận. tôi nghiên cứu đề tài " ;Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm bộ phân tích nhanh Florua trong nước& quot;. Chúng tôi hy vọng đề tài sẽ được nghiên cứu phát triển và ứng dụng xác định hàm lượng florua. TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LƯƠNG THANH THẢO NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM BỘ PHÂN TÍCH NHANH FLORUA TRONG NƯỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2014