Cho nên thay vì sử dụng nhiết độ cao để thực hiện sự nguyên tử hóa Hg từ các hợp chất Hg II, ta sử dụng một chất khử mạnh ví dụ NaBH4, hoặc SnCl2 để khử trực tiếp hợp chất Hg II về Hgo d
Trang 1Bài thực tập chuyên đề phổ nguyên tử
Khóa 2006, 09/2009
Bài 3
PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THU NGUYÊN TỬ KỸ THUẬT HÓA HƠI LẠNH (CV-AAS) XÁC ĐỊNH Hg
I Lý thuyết:
a Giới thiệu: phương pháp hóa lạnh là một kỹ thuật đặc biệt chỉ được sử dụng để xác
định Hg mà thôi Đây là một trong những kỹ thuật nhạy nhất để xác định Hg Các kỹ thuật nguyên tử hóa khác như F-AAS; GF-AAS; ICP khi áp dụng để xác định Hg không những có
độ nhạy thấp hơn mà kết quả có độ tin cậy không cao lắm do có khá nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ đúng và độ chính xác của phép xác định này
b Chọn vạch: trong phương pháp xác định Hg bằng phổ nguyên tử, người ta sử dụng
vạch hấp thu không cộng hưởng 253.7nm ứng với chuyển dời 61So 63P1 (lực dao động tử 0.025), theo quy tắc lọc lựa thì đây là bước chuyển không được phép và không nhạy lắm Thực tế Hg có vạch cộng hưởng tại 184.949nm tương ứng với bước chuyển 61So 61P1 (lực dao động tử là 1.17), là bước chuyển được phép nhạy gấp 47 lần so với vạch 253.7nm Tuy nhiên vạch 184.949 nm nằm trong vùng tử ngoại chân không, chịu nhiều ảnh hưởng của hơi nước, oxygen và nitrogen trong không khí nên không thể sử dụng được
c Phương pháp hóa hơi lạnh (cold vapour): Về nguyên tắc kỹ thuật hóa hơi là một
trong những điểm mấu chốt để có được phổ nguyên tử, tức là kỹ thuật này là bắt buộc khi muốn ghi được phổ nguyên tử của bất kỳ một nguyên tố nào Tuy nhiên kỹ thuật hóa hơi lạnh là đặc trưng cho Hg Lý giải điều này phải dựa vào các đặc tính lý hóa của Hg: Hg là nguyên tố duy nhất tồn tại ở thể lỏng trong điều kiện thường với áp suất hơi khá cao 1.3 10-3 mmHg tức là 1.71 10-6atm (25 oC) và điều quan trọng không kém là Hg tồn tại ở dạng đơn nguyên tử khi ở thể hơi (chứ không nằm trong liên kết kim loại như đa số các nguyên tố khác) Cho nên thay vì sử dụng nhiết độ cao để thực hiện sự nguyên tử hóa Hg từ các hợp chất Hg (II), ta sử dụng một chất khử mạnh (ví dụ NaBH4, hoặc SnCl2) để khử trực tiếp hợp chất Hg (II) về Hgo dể bay hơi và đồng thời sử dụng một dòng khí mang sục vào dung dịch (không khí, N2, Ar) lôi cuốn hơi Hg bay đến một cuvet đặc biệt, tại đó ta tiến hành đo hấp thu A
Trang 2Chất khử thường sử dụng là SnCl2 hay NaBH4 Trong môi trường acid HCl xảy ra các phản ứng sau:
a BH4- + 3H2O + H+ H3BO3 + 8H* (mới sinh)
HgCl42- + 2H* Hgo + 2H+ + 4Cl-
b HgCl42- + SnCl3- Hgo + SnCl62- + Cl-
V
E o
Cl SnCl SnCl / ,3 0 139
3
2
V
E o
Cl Hg HgCl2 / liquid,4 0 438
V
E o
H
H / * 2 1065
Hơi Hg sẽ hấp thu bức xạ đơn sắc từ đèn HCL Hg cho phổ hấp thu Do NaBH4 khá đắt tiền nên SnCl2 thường được sử dụng làm chất khử trong phép phân tích Hg
II Quy tắc định lượng Hg
1 Nguyên tắc chung
Sự hấp thu bức xạ đặc trưng phát ra từ đèn cathod rỗng bởi plasma chứa hơi đơn nguyên
tử ở trạng thái cơ bản tuân theo định luật Lambert Beer
KLC I
I
A lg 0
Trong đó A là độ hấp thu (mật độ quang), trong kỹ thuật ngọn lửa: A được lấy trung bình theo thời gian, trong kỹ thuật lò graphite:
A phụ thuộc vào mật độ hơi Hg trong cuvet (ống thạch anh), trong trường hợp lý tưởng tỷ lệ với nồng độ (C) Hg trong mẫu
L: đoạn đường đi của bức xạ trong cuvet chứa hơi Hg
C: nồng độ Hg có trong dung dịch mẫu
K: hệ số tỉ lệ thuận với hệ số Einstein Bjo (tỉ lệ với lực dao động tử )
Io, I: cường độ tia quy chiếu và tia qua mẫu tương ứng
Việc đo tín hiệu hấp thu phụ thuộc vào thiết kế của thiết bị tạo hơi Hg
- Khi tín hiệu hấp thu Hg đều đặn (steady state) và ổn định thì có thể lấy chiều cao
Trang 3Tạo hơi Hg theo mẻ
Trong thíết bị này, dung dịch chuẩn/mẫu cần xác định Hg đuợc lấy một lượng nhất định cho phản ứng với chất khử để tạo Hgo Hgo sinh ra tồn tại trong dung dịch và sẽ đuợc hóa hơi nhờ một dòng khí mang sục liên tục lôi cuối hơi Hg ra khỏi dung dịch
Thải bỏ liên tục
Hơi Hg bị lôi cuốn liên tục tới ống hấp thu (như hình vẽ) và thoát ra ngoài hệ thống nhờ
bộ phận hút khí độc Trong thời gian này máy AAS sẽ liên tục đo mật độ hơi Hg trong ống Tín hiệu hấp thu ban đầu sẽ tăng dần và đạt cực đại, sau đó giảm dần về 0 khi toàn bộ Hg trong mẫu đã bị lôi cuốn hết
Tuần hoàn
Trang 4Trong hệ thống này, hơi Hg từ bình chứa mẫu đuợc lôi cuốn nhờ dòng khí sinh ra từ bơm khí, quá trình lôi cuốn hơi Hg được hỗ trợ bởi một máy khuấy từ khuấy trộn mẫu liên tục Hơi Hg và hơi nước sẽ qua ống chữ U chứa chất hút ẩm, Hơi Hg tiếp tục đi qua cell đo
và quay trở lại bình chứa mẫu Do Hg tan ít trong nước nên hơi Hg khi quay trở lại sẽ không tan vào pha nước Theo thời gian Hg trong pha nước bị lôi cuốn dần dần vào pha khí Máy AAS sẽ đo liên tục mật độ Hg trong tại cell đo Tín hiệu hấp thu sẽ tăng dần từ 0, sẽ đạt cực đại và ổn định Sau khi đo hệ thống valve khí sẽ đụơc vặn qua vị trí khác để thổi loại bỏ toàn bộ hơi Hg trong hệ thống, hướng dòng hơi Hg này vào bình hấp thu để thu hồi
Tích góp
Về cơ bản, hệ thống này có cấu tạo và vận hành tương tự như hệ thống đã trình bày theo kiểu thải bỏ liên tục Điểm khác biệt là một bẫy thủy ngân được đặt sau bình phản ứng Bẫy thủy ngân này lưu giữ Hg dựa trên hiện tượng tạo hỗn hống (amalgam) của Hg trên một số kim loại Đối với mục đích này, Au hay hợp kim Au-Pt thuờng đuợc dùng để bẫy vàng do các kim loại này tương đối trơ với các tác nhân hóa học trong hệ phản ứng Hơi Hg sau khi
bị lôi cuốn ra khỏi mẫu sẽ đi qua và lưu giữ trên bẫy vàng Sau khi toàn bộ Hg trong mẫu được bẫy hết, bẫy đuợc gia nhiệt đến 600-800oC để phân hủy hỗn hống, giải phóng toàn bộ
Hg trong khoảng thời gian 1-2s Hơi Hg sau khi giải phóng sẽ đến cell đo và đuợc máy AAS
Trang 5Tạo hơi Hg liên tục
Theo hệ thống này, mẫu, chất khử và chất mang tạo môi trường sẽ đuợc bơm liên tục bằng 1 bơm nhu động 3 kênh Hệ này thường dùng NaBH4 làm chất khử vì đây là chất khử mạnh, phản ứng khử diễn ra nhanh và hoàn toàn hơn so với Sn2+ Ngoài ra hệ thống này cũng được dùng để xác định các nguyên tố tạo hơi hydride như As, Se, Sn, Bi, Pb… Nên việc dùng
Sn2+ làm chất khử ở nồng độ cao sẽ gây nhiễm bẩn hệ thống gây khó khăn cho các ứng dụng sau này
Đầu tiên mẫu và chất mang (thường là acid) được trộn lẫn tại “mixing coil” sau đó tiếp tục trộn với chất khử NaBH4 Một dòng khí mang (N2 hay Ar) đuợc đưa liên tục vào hệ thống
để tạo các bọt khi xen kẽ với mẫu Các bọt khí này nâng cao hiệu quả khuấy trộn các dòng chất lỏng chạy trong hệ thống Dòng chất lỏng hỗn hợp sẽ qua cuộn dây xoắn (reaction coil dài 1-2m) để các tác chất có thời gian phản ứng Sau phản ứng, dòng chất lỏng sẽ được bơm tới thiết bị tách lỏng khí, nhờ một dòng khí mang thứ hai có tác dụng thổi và lôi cuốn hơi
Hg đến cell đo Dòng chất lỏng chứa các tác chất sẽ đụơc đẩy liên tục vào bình thải
Như vậy các quá trình phản ứng, tách và lôi cuốn hơi Hg diễn ra liên tục Tín hiệu hấp thu
sẽ tăng từ 0 và đạt ổn định khi các quá trình trên đạt cân bằng Điều cần lưu ý là hiệu suất lôi cuốn hơi Hg từ mẫu không đạt 100%
Trang 6Tạo hơi Hg theo kiểu tiêm dòng chảy
Hệ thống này gần tương tự như hệ thống dòng chảy tiêm liên tục vừa trình bày Điểm khác biệt là mẫu không đuợc tiêm liên tục mà đuợc không chế một lượng xác định bằng một valve + loop tương tự như hệ thống tiêm mẫu thường thấy ở sắc ký lỏng Khi không tiêm mẫu (vị trí valve: LOAD), các dòng chất mang, chất khử được bơm liên tục qua hệ phản ứng Dòng mẫu đuợc bơm liên tục qua loop và đến bình thải Khi hệ thống vận hành ở chế
độ tiêm mẫu (vị trí valve: INJECT), các dòng chất mang nối với loop, đẩy mẫu trong loop trộn với chất khử và chất mang đến reaction coil để phản ứng, sau đó đến bộ tách lỏng-khí Hơi Hg bị lôi cuốn theo dòng khí mang đến cell đo Dòng mẫu đuợc bơm liên tục đến bình thải nhưng không qua loop
Tín hiệu hấp thu đo đuợc có dạng peak
III NỘI DUNG THỰC TẬP
Thực hành phân tích Hg trên thiết bị tạo hơi Hg theo mẻ - thải bỏ liên tục trên thiết bị AAS Perkin Elmer PE-603/sục khí theo mẻ tương tự như bộ MHS-10 (modified MHS-10)
Thực hành phân tích Hg trên thiết bị tạo hơi Hg theo mẻ - tuần hoàn trên thiết bị
Trang 7b Lắp đặt đèn cathode rỗng vào giá gắn đèn (lamp turret), chỉnh dòng đèn đạt 60-85% cường độ làm việc cho trên đèn
c Cài đặt khe (0.2 H) , bước sóng Chọn mode Setup, điều chỉnh các núm chỉnh đèn 3 chiều trong không gian để hướng toàn bộ bức xạ phát ra từ đèn cathode rỗng vào detector
d Kiểu lấy tín hiệu: liên tục
e Lắp bộ “modified-MHS-10”
f Mở van bình khí mang Ar (hay N2), điều chỉnh áp suất đầu ra trên đồng hồ đến 1atm
g Chọn các thông số của máy phù hợp: đèn, bộ hóa hơi, bước sóng, khe Thời gian tích phân là 0.5s
* Cách đo:
+ Nạp 25mL nước cất hoặc chuẩn hoặc mẫu vào bình chứa mẫu
+ Thêm 1mL SnCl210%
+ Lắp bình vào hệ MHS-10 đồng thời cho máy ghi đo tín hiệu hấp thu Ghi tín hiệu khi thấy độ hấp thu cực đại
+ Sau khi ghi xong tín hiệu (sau 1 phút), tháo bình chứa mẫu ra, đổ và rửa bình bằng nước thường, tráng rửa bằng dung dịch K2Cr2O7 5%, rửa lại bình bằng nước cất Nạp 20 mL mẫu và tiến hành đo tương tự như trên
1 Cách đo độ hấp thu trên máy PE 603/MVU1
a Khởi động máy PE 603
b Lắp đặt đèn cathode rỗng: Lắp đèn cathode rỗng vào giá gắn đèn (lamp turret), chỉnh dòng đèn đạt 60-85% cường độ làm việc cho trên đèn
c Cài đặt khe, bước sóng Chọn mode EM, diều chỉnh các núm chỉnh đèn 3 chiều trong không gian để hướng toàn bộ bức xạ phát ra từ đèn cathode rỗng vào detector
d Nối ống hút mẫu vào bình chứa nước cất Nối ống dẫn hơi Hg vào ống thạch anh gắn trên đầu đốt Chỉnh vị trí ống này theo 3 chiều trong không gian để được tín hiệu hấp thu tối thiểu
e Khởi động bộ hóa hơi MVU-1
f Chờ cho đến khi tín hiệu ổn định, hiệu chỉnh Zero (nhấn phím AZ)
g Hút V mL dung dịch chuẩn 50 ppb/mẫu - sao cho lượng Hg trong dung dịch này không hơn 600 ng- vào bộ hóa hơi, thêm nước cất 1 lần (bằng ống đong) cho đủ 150
mL Thêm 2 mL dung dịch SnCl2 10%, nhanh chóng lắp bình phản ứng vào hệ
MVU-1, quan sát tín hiệu hấp thu, nếu thấy tín hiệu hấp thu vuợt quá tín hiệu hấp thu của
Trang 8dung dịch chuẩn có nồng độ cao nhất thì nên lấy thể tích mẫu ít hơn Ghi nhận tín hiệu hấp thu cực đại kèm theo thời gian từ khi lắp bình phản ứng vào hệ cho đến khi tín hiệu đạt tới giá trị cực đại (bằng đồng hồ bấm giây) Khi quan sát thấy tín hiệu cực đại và ổn định, đặt thời gian tích phân là 5s Ghi tín hiệu 3 lần
h Đường chuẩn tính theo khối lượng Hg: tham khảo bảng bên dưới
i Sau khi vừa đo xong mỗi mẫu, vặn khóa trên bộ MVU-1 từ chế độ “measure” sang chế độ “clear” để đẩy hết hơi Hg trong hệ thống vào bình hấp thu Hg Dấu hiệu rửa sạch: tín hiệu hấp thu trở về 0.000
j Tháo bình chứa mẫu ra khỏi hệ thống, rửa sạch, tráng bằng dung dịch K2Cr2O7 0.5% rồi bằng nước máy, sau đó là nước cất 1 lần Nạp mẫu mới cho lần đo kế tiếp
2 Phần thực hành
Lưu ý chung:
Chỉ lưu trữ các dung dịch chuẩn có nồng độ lớn hơn hay bằng 1000ppm Các dung dịch có nồng độ thấp hơn chỉ nên pha ngay trước khi sử dụng và phải pha trong K2Cr2O7 0.05% để tránh mất Hg
Các dung dịch có nồng độ nhỏ hàng ppb rất mau bị hư do bị hấp phụ trên thành bình Chỉ dùng trong vài giờ
Pha chế các dung dịch chuẩn và thuốc thử
a Dung dịch chuẩn gốc và thuốc thử:
- Chuẩn bị dd pha loãng HNO3 0.5%: 5 mL HNO3 đđ pha thành 1 L bằng nuớc cất
1 lần
- Dung dịch chuẩn trung gian Hg(II) 10ppm từ Hg(II) 1000ppm: hút chính xác 1
mL Hg(II) 1000ppm, 1 mL K2Cr2O7 5% định mức thành 100 mL bằng dung dịch HNO3 0.5%
- Dung dịch chuẩn Hg 50 ppb chứa 0.05% K2Cr2O7, HNO3 0.5%: hút 1.25 mL
Trang 9- Dung dịch SnCl2 10% (200 mL): hòa tan 20g SnCl2.2H2O trong 180mL nước cất, thêm 2mL HCl đđ, để lắng, gạn lấy phần trong Chuẩn bị dung dịch này hàng ngày ngay trước khi dùng
- Các acid H2SO4 6M, HNO3 6M, HCl 6M pha từ các acid đậm đặc tương ứng: sinh viên pha sẵn các dung dịch acid trung gian H2SO4 6M (acid 1:2), HNO3 6M (2:3), HCl (1:1), bằng ống đong, thực hiện pha chế trong tủ hút Mỗi acid pha 0.5L
b Đường chuẩn:
Đường chuẩn cho hệ “modified-MHS-10”:
Thể tích chuẩn/mẫu trong bình đo của hệ MHS-10: 25 mL
mHg trong bình phản ứng (ng) 25 50 75 100 150 250 [Hg(II)](ppb) tương ứng 1.0 2.0 3.0 4.0 6.0 10.0 Dung dịch pha loãng: HNO5 0.5%
Không cần thiết chuẩn bị các dung dịch này trong bình định mức mà có thể tính toán lượng hút bằng pipet ngay khi sử dụng, ví dụ dung dịch chuẩn có CHg = 5ppb (ng/mL); muốn pha 25mL dung dịch này tức là nên hút 2.5 mL (chính xác) dung dịch Hg 50ppb và (khoảng) 22.5 mL nước cất vào bình chứa mẫu
Đường chuẩn cho hệ MVU-1:
Không cần pha từng dung dịch chuẩn, thể tích chuẩn/mẫu trong bình đo của hệ MVU-1 là: 150 mL
mHg trong bình phản ứng (ng) 30 60 150 300 450 600 [Hg(II)](ppb) tương ứng 0.2 0.4 1.0 2.0 3.0 4.0 Dung dịch pha loãng: HNO5 0.5%
Thí nghiệm:
Dựng đuờng chuẩn: thực hiện trên cả 2 hệ MHS-10 và MVU-1 theo các nồng độ có ghi trong các bảng tương ứng
Khảo sát ảnh hưởng của các acid:
Thực hiện trên hệ “modified MHS-10” tất cả các khảo sát
Các nồng độ acid khảo sát ghi bên dưới Cần chú ý là nồng độ đã cho là nồng
độ trong dung dịch trong hệ phản ứng Thể tích acid cần lấy tùy thuộc vào thể tích của mỗi hệ phản ứng
Cố định nồng độ Hg khảo sát là 2.0 ppb tương ứng với lượng 300 ng Hg trong bình phản ứng
Trang 10 Mỗi một nồng độ acid khảo sát, nên thực hiện 1 mẫu trắng kèm theo để trừ nền Ví dụ khi đo dung dịch Hg/H2SO4 nồng độ từ 2.0 M thì nên đo mẫu trắng
là dung dịch không chứa Hg nhưng chứa H2SO4 2.0 M
Nếu phép đo ổn định, mỗi khảo sát chỉ cần thực hiện 2 lần lặp
- H2SO4: các nồng độ từ 0.25; 0.5; 1.0; 1.5 M (nồng độ thực tế trong bình phản ứng)
- HNO3: các nồng độ từ 0.5; 1.0; 2.0; 3.0 M (nồng độ thực tế trong bình phản ứng)
- HCl: các nồng độ từ 0.5; 1.0; 2.0; 3.0 M (nồng độ thực tế trong bình phản ứng)
o Khi sử dụng cho mỗi phép đo, sinh viên chỉ cần tính toán thể tích acid cần lấy (bằng ống đong) và thể tích nuớc cần thiết để có nồng độ theo yêu cầu Ví dụ nếu cần khảo sát nồng độ acid 1 M, sinh viên sẽ pha từ acid 6 M (trung gian) bằng cách lấy 1 thể tích acid + 5 thể tích nước cất (1 lần) Dùng ống đong lấy acid và nước
Báo cáo kết quả: trong bài tường trình, sinh viên cần báo cáo
Dựng đường chuẩn và xác định khoảng tuyến tính, ước lượng các giá trị LOD
và LOD của từng phương pháp
So sánh và nhận xét về khía cạnh sau của hai hệ “modified-MHS-10” và MVU-1
i Bản chất của tín hiệu hấp thu quan sát thấy
ii Các quá trình diễn ra trong hệ
iii Các yếu tố ảnh hưởng đến phép phân tích
iv Độ nhạy của từng hệ, giải thích rõ
Suy luận ra các kết quả tương tự khi thực hành với hệ HVG (hệ lấy mẫu liên tục) và FIAS (tiêm dòng chảy)