Tiểu luận Xác định tổng lượng nitơ trong nước

Hiện nay môi trường đã trở thành vấn đề chung của toàn nhân loại vàđược cả thế giới quan tâm.Nằm trong khung cảnh chung đó của toàn thếgiới, đặc biệt là ở khu vực Châu Á-Thái Bình

NHÓM SINH VIÊN THỰC HIỆN

1 Trương Thu Hằng

2 Nguyễn Trung Hiếu

3 Trần Thị Hoa

4 Vũ Thị Hoa

MỤC LỤC

A.Mở đầu………2

B.Tổng quan……… 3

I.Trạng thái tồn tại của nitơ trong nước……… 3

II.Nguyên nhân gây ô nhiễm……… 6

III.Tác hại của ô nhiễm nitơ……… 7

IV.Các phương pháp xử lý nitơ trong nươc thải hiện nay…….9

C.Các phương pháp xác định nitơ tổng……….12

I Lấy mẫu và bảo quản mẫu……… 12

II.Phương pháp sắc ký……….12

III.Phương pháp cực phổ……….13

VI.Phương pháp trắc quang………14

V.Xác định nitơ tổng theo phương pháp kendan……… 18

D.Kết luận……… 22

A.MỞ ĐẦU

Hiện nay môi trường đã trở thành vấn đề chung của toàn nhân loại vàđược cả thế giới quan tâm.Nằm trong khung cảnh chung đó của toàn thếgiới, đặc biệt là ở khu vực Châu Á-Thái Bình Dương, Châu Phi, môitrường ở Việt Nam của chúng ta hiện nay đang xuống cấp từng ngày,nguy

cơ mất cân bằng sinh thái.Có rất nhiều vấn đề hiện nay rất được quan tâm

đó là sự cạn kiệt các nguồn tài nguyên, phá rừng làm ảnh hưởng tới chấtlượng cuộc sống và sự phát triển bền vững của đất nước

Hiện nay vấn đề ô nhiễm nước rất được quan tâm.Trong quá trìnhsinh hoạt hàng ngày, dưới tốc độ phát triển như hiện nay con người vô tìnhlàm ô nhiễm nguồn nước bằng các hóa chất, chất thải từ các nhà máy, xínghiệp Các đơn vị cá nhân sử dụng nước ngầm dưới hình thứckhoan giếng sau khi ngưng không sử dụng không bịt kín các lỗ khoan lạilàm cho nước bẩn chảy lẫn vào làm ô nhiễm nguồn nước ngầm Các nhàmáy xí nghiệp xả khói bụi công nghiệp vào không khí làm ô nhiễm khôngkhí, khi trời mưa, các chất ô nhiễm này sẽ lẫn vào trong nước mưa cũnggóp phần làm ô nhiễm nguồn nước

Hàm lượng Nitơ tổng trong nước cũng là nguyên nhân gây ô nhiễmnước

Việc nghiên cứu, tìm hiểu nitơ tổng đóng vai trò quan trọng vì từ đó

ta có thể tìm được biện pháp xử lý để làm sạch môi trường nước

Xuất phát từ thực tế đó, nội dung bài tiểu luận của chúng em là:

“Xác định tổng lượng Nitơ trong nước ” Hy vọng với những thông tintrong bài tiểu luận của chúng tôi sẽ giúp mọi người hiểu rõ hơn về thựctrạng ô nhiễm Nitơ hiện nay và từ đó đề ra biện pháp xử lý

B.TỔNG QUAN

I.Trạng thái tồn tại của Nitơ trong nước

Trong nước thải, các hợp chất của nitơ tồn tại dưới 3 dạng: các hợp chấthữu cơ, amoni và các hợp chất dạng ôxy hoá (nitrit và nitrat) Các hợp chấtnitơ là các chất dinh dưỡng, chúng luôn vận động trong tự nhiên, chủ yếunhờ các quá trình sinh hoá

Hợp chất hữu cơ chứa nitơ là một phần cấu thành phân tử protein

hoặc là thành phần phân huỷ protein như là các peptid, axit amin, urê Hàm lượng amoniac (NH3) chính là lượng nitơ amôn (NH+

4) trong nướcthải sinh hoạt, nước thải công nghiệp thực phẩm và một số loại nước thảikhác có thể rất cao

Trong nước thải sinh hoạt nitơ tồn tại dưới dạng vô cơ (65%) và hữu cơ(35%) Nguồn nitơ chủ yếu là từ nước tiểu Mỗi người trong một ngày xảvào hệ thống thoát nước 1,2 lít nước tiểu, tương đương với 12 g nitơ tổng

số Trong số đó nitơ trong urê (N-CO(NH2)2) là 0,7g, còn lại là các loại nitơkhác Urê thường được amoni hoá theo phương trình như sau

Trong mạng lưới thoát nước urê bị thuỷ phân:

CO(NH2)2 + 2H2O = (NH4)2CO3 (1.2)

Sau đó bị thối rữa:

(NH4)2CO3 = 2NH3 + CO2 + H2O (1.3)

Như vậy NH3 chính là lượng nitơ amôn trong nước thải Trong điều kiệnyếm khí amoniac cũng có thể hình thành từ nitrat do các quá trình khửnitrat của vi khuẩn Denitrificans

Lượng chất bẩn Nitơ amôn (N-NH4) một người trong một ngày xả vào hệthống thoát nước: 7 g/ng.ngày

Trong thành phần nước thải sinh hoạt khu dân cư:

Bảng 1 Các chỉ tiêu trung bình các hợp chất Nitơ trong nước thải sinh hoạt

Các quá trình nitrit và nitrat hoá diễn ra theo phản ứng bậc I:

• NH4 + kn NO2 - km NO3 -

Trong đó: k n và k m là các hằng số tốc độ nitrit và nitrat hoá.

Các phương trình phản ứng của quá trình nitrit và nitrat hoá được biểu diễnnhư sau:

• NH4 + + 1,5O2 Nitrosomonas NO2 - + H2O + 2H +

• NO2 - + 0,5O2 Nitrobacter NO3

-• NH4 + + 2O2 NO3 - + H2O + 2H +

Quá trình nitrat hoá cần 4,57g ôxy cho 1g nitơ amôn Các loại vi khuẩn

Nitrosomonas và Nitrobacter là các loại vi khuẩn hiếu khí thích hợp với điều

pH và nhiệt độ của nước cao, quá trình nitrit hoá diễn ra thuận lợi, và nồng

độ của nó có thể đạt đến giá trị lớn Trong quá trình xử lý nước, nitrit trongnước sẽ tăng lên đột ngột

Nitrat (NO3-) là dạng hợp chất vô cơ của nitơ có hoá trị cao nhất và cónguồn gốc chính từ nước thải sinh hoạt hoặc nước thải một số ngành côngnghiệp thực phẩm, hoá chất, chứa một lượng lớn các hợp chất nitơ Khivào sông hồ, chúng tiếp tục bị nitrat hoá, tạo thành nitrat

Nitrat hoá là giai đoạn cuối cùng của quá trình khoáng hoá các chất hữu cơchứa nitơ Nitrat trong nước thải chứng tỏ sự hoàn thiện của công trình xử

lý nước thải bằng phương pháp sinh học

Mặt khác, quá trình nitrat hoá còn tạo nên sự tích luỹ ôxy trong hợp chấtnitơ để cho các quá trình ôxy hoá sinh hoá các chất hữu cơ tiếp theo, khilượng ôxy hoà tan trong nước rất ít hoặc bị hết

Khi thiếu ôxy và tồn tại nitrat hoá sẽ xảy ra quá trình ngược lại: tách ôxykhỏi nitrat và nitrit để sử dụng lại trong các quá trình ôxy hoá các chất hữu

cơ khác Quá trình này được thực hiện nhờ các vi khuẩn phản nitrat hoá (vikhuẩn yếm khí tuỳ tiện) Trong điều kiện không có ôxy tự do mà môi trườngvẫn còn chất hữu cơ cácbon, một số loại vi khuẩn khử nitrat hoặc nitrit đểlấy oxy cho quá trình ôxy hoá các chất hữu cơ Quá trình khử nitrat đượcbiểu diễn theo phương trình phản ứng sau đây:

• 4NO 3 - + 4H + + 5Chữu cơ 5CO2 + 2N2 + 2H2O

Trong quá trình phản nitrat hoá, 1g nitơ sẽ giải phóng 1,71g O2 (khử nitrit)và 2,85g O2 (khử nitrat)

II.Nguyên nhân gây ô nhiễm

Hợp chất của Nitơ được tìm thấy trong nước thải hay được thải trựctiếp vào nguồn nước mặt phát sinh từ:

 Thất thoát từ phân bón có trong đất

 Nước thải sinh hoạt, chất thải từ người và động vật

 Các hóa chất tẩy rửa và làm sạch

 Nước thải công nghiệp thực phẩm: Chế biến sữa, rau quả, đồhộp, chế biến thịt, sản xuất bia, rượu, thuộc da

Việc sử dụng nitơ trên toàn thế giới, một loại phân bón quan trọngtrong nông nghiệp hiện đại – phân đạm, một nhóm nhà nghiên cứu cảnhbáo rằng việc sử dụng quá mức nitơ trong một thế giới công nghiệp hóa lànguyên nhân hàng đầu sự ô nhiễm của các hồ, sông, suối như hiện nay

III.Tác hại của ô nhiễm Nitơ

1) Tác hại của Nitơ đối với sức khỏe cộng đồng

Trên bình diện sức khoẻ Nitơ tồn tại trong nước thải có thể gây nênhiệu ứng về môi trường Sự có mặt của Nitơ trong nước thải có thể gây ranhiều ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái và sức khoẻ cộng đồng Khi trong

nước thải có nhiều Amôniăc có thể gây độc cho cá và hệ động vật thuỷsinh, làm giảm lượng ôxy hoà tan trong nước Khi hàm lượng nitơ trongnước cao cộng thêm hàm lượng phôtpho có thể gây phú dưỡng nguồn tiếpnhận làm nước có màu và mùi khó chịu đặc biệt là lượng ôxy hoà tan trongnước giảm mạnh gây ngạt cho cá và hệ sinh vật trong hồ.

Khi xử lý nitơ trong nước thải không tốt, để hợp chất nitơ đi vào trongchuỗi thức ăn hay trong nước cấp có thể gây nên một số bệnh nguy hiểm.Nitrat tạo chứng thiếu Vitamin và có thể kết hợp với các amin để tạo thànhcác nitrosamin là nguyên nhân gây ung thư ở người cao tuổi Trẻ sơ sinhđặc biệt nhạy cảm với nitrat lọt vào sữa mẹ, hoặc qua nước dùng để phasữa Khi lọt vào cơ thể, nitrat chuyển hóa thành nitrit nhờ vi khuẩn đườngruột Ion nitrit còn nguy hiểm hơn nitrat đối với sức khỏe con người Khitác dụng với các amin hay alkyl cacbonat trong cơ thể người chúng có thểtạo thành các hợp chất chứa nitơ gây ung thư Trong cơ thể Nitrit có thểôxy hoá sắt II ngăn cản quá trình hình thành Hb làm giảm lượng ôxy trongmáu có thể gây ngạt, nôn, khi nồng độ cao có thể dẫn đến tử vong

2) Tác hại của ô nhiễm Nitơ đối với môi trường

Nitơ trong nước thải cao, chảy vào sông, hồ làm tăng hàm lượng chấtdinh dưỡng Do vậy nó gây ra sự phát triển mạnh mẽ của các loại thực vậtphù du như rêu, tảo gây tình trạng thiếu oxy trong nước, phá vỡ chuỗi thức

ăn, giảm chất lượng nước, phá hoại môi trường trong sạch của thủy vực,sản sinh nhiều chất độc trong nước như NH4+, H2S, CO2, CH4 tiêu diệtnhiều loại sinh vật có ích trong nước Hiện tượng đó gọi là phú dưỡngnguồn nước

Hiện nay, phú dưỡng thường gặp trong các hồ đô thị, các sông và kênhdẫn nước thải Đặc biệt là tại khu vực Hà Nội, sông Sét, sông Lừ, sông TôLịch đều có màu xanh đen hoặc đen, có mùi hôi thối do thoát khí H2S Hiệntượng này tác động tiêu cực tới hoạt động sống của dân cư đô thị, làm biến

đổi hệ sinh thái của nước hồ, tăng thêm mức độ ô nhiễm không khí của khudân cư

Hình 2 Qúa trình phú dưỡng trong thủy vực nước mặt

3) Tác hại của Nitơ đối với quá trình xử lý nước

Sự có mặt của Nitơ có thể gây cản trở cho các quá trình xử lý làm giảmhiệu quả làm việc của các công trình Mặt khác nó có thể kết hợp với cácloại hoá chất trong xử lý để tạo các phức hữu cơ gây độc cho con người Một cuộc nghiên cứu mới cho thấy tác động của ô nhiễm nitơ đối vớisức khỏe con người và môi trường khiến châu Âu tổn thất từ 70 đến 320 tỉeuro mỗi năm.

Theo cuộc nghiên cứu được tiến hành bởi 200 chuyên gia thuộc 21nước và 89 tổ chức, mức thiệt hại nói trên nhiều gấp đôi lợi ích mà nhữnghợp chất nitơ mang lại cho ngành nông nghiệp ở châu lục này

Ông Mark Sutton, một chuyên gia tại Viện Sinh thái học và Thủy học củaAnh và là người đứng đầu cuộc nghiên cứu, cho hãng tin AP biết: “Gầnphân nửa dân số thế giới phụ thuộc vào các loại phân bón nitơ tổng hợp để

có được lương thực nhưng chúng ta cần có những biện pháp để giảm táchại của ô nhiễm nitơ”

IV.Các phương pháp xử lý Nitơ trong nước thải hiện nay

Đã có nhiều phương pháp nhiều công trình xử lý nitơ trong nước thảiđược nghiên cứu và đưa vào vận hành trong đó có cả các phương pháp hoáhọc, sinh học, vật lý v v Nhưng phần lớn chúng đều chưa đưa ra đượcmột mô hình xử lý nitơ chuẩn để có thể áp dụng trên một phạm vi rộng.Dưới đây là bảng phân tích một cách tổng quan nhất về dạng và hiệu suấtlàm việc của các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải đã được nghiêncứu và ứng dụng

Bảng 2 Các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải

Thu hoạchsinh khối

Xử lý bởiquá trìnhlàm thoáng

Tách bằngcác quá trìnhnitrat và khửnitrat

chọn lọc với

Amôni

thấp,kém ổnđịnh

Trao đổi iôn có

chọn lọc với

Nitrat

Hiệu suấtthấp

Hiệu suấtthấp

C.CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH NITƠ TỔNG

Có nhiều phương pháp xác định tổng nitơ như: Phương pháp thể tích,phân tích khối lượng, sắc ký ion, sắc ký lỏng, cực phổ, trắc quang Tuynhiên, phương pháp thể tích, phân tích khối lượng chỉ áp dụng cho nhữngđối tượng có hàm lượng nitơ lớn, độ nhạy thấp Ở đây chúng tôi xin đề cậpđến những phương pháp xác định nitơ với hàm lượng nhỏ

I Lấy mẫu và mẫu

Lấy mẫu vào bình bằng polyetylen hoặc thuỷ tinh Mẫu lấy xong cần phântích càng sớm càng tốt, nếu lưu giữ cần để ở 2 - 50C Axit hoá mẫu bằngaxit sunfuric đến pH < 2 giúp cho lưu giữ mẫu tốt, nhưng phải hết sức tránh

để mẫu đã axít hoá hấp thụ amoniac từ không khí

II.Phương pháp sắc ký

1.Phương pháp sắc ký lỏng

Trong môi trường axit, nitrite kết hợp với 2,3-diaminonaphthalene(DAN) thành 2,3-naphthotriazole (NAT) có khả năng huỳnh quang Chấtnày được tách bởi cột pha đảo C8 5m, dung dịch rửa giải là hỗn hợp đệmnatri photphat 15mM (pH 7,5) và methanol 50:50, tốc độ dòng 13 ml/phút.Hợp chất NAT phát xạ huỳnh quang ở bước sóng 375nm và hấp thụ huỳnhquang ở bước sóng 415nm Thời gian lưu là 4,4 phút Khoảng tuyến tínhcủa nồng độ nitrite là 12,5 – 2000 nM, giới hạn phát hiện của nito là 0,46ppm Việc xác định nitrite bằng phương pháp sắc ký lỏng ngoài việc đùngđầu dò huỳnh quang còn có thể dùng đầu dò UV – VIS hoặc đầu dò độdẫn Tuy nhiên, phương pháp này gặp nhiều cản nhiễu nhất là clo và cácamin mà trong nước nuôi tôm thì hàm lượng các yếu tố này khá nhiều

2.Phương pháp sắc ký ion

Mẫu sau khi xử lý xong được cho thêm vào dung dịch kalihexaxyanoferat (II) K4[Fe(CN)6] và dung dịch kẽm axetat Lọc dung dịchmẫu này, sau đó bơm vào máy sắc ký Pha động là dung dịch natricacbonat/ natri hidrocacbonat Để định tính nitrite, so sánh thời gian lưucủa mẫu với thời gian lưu chuẩn

Diện tích ( hoặc chiều cao) pic tỷ lệ với nồng độ nitrite Vì vậy, để xácđịnh hàm lượng nitrite trong mẫu, chúng ta lập đường chuẩn nitrite theođúng thời gian lưu đã chuẩn hoá Dựa vào đường chuẩn tính được hàmlượng nitrite tong mẫu

c.Ưu điểm và nhược điểm

*Ưu điểm:

- Có độ nhạy tương đối cao

- Thể tích mẫu được bơm vào cột ít

ở 1,2 V so với anot thủy ngân Nếu dùng nền là hỗn hợp đệm citrate 2M có

pH = 2,5 thì giới hạn phát hiện là 0,225 ppm NO2

Nếu dùng nền là hỗn hợp KCl 0,2M + SCN- 0,04M + Co2+ 2.10-4M ở pH

= 1-2 thì sẽ cho một pic cực phổ xung vi phân rất rõ khi có mặt ion NO2-.Pic xuất hiện ở thế -0,5V (so với điện cực calomen bão hòa) và chiều caopic tỉ lệ với nồng độ của ion NO2-

Có thể xác định NO2- bằng cách chuyển nó thành diphenyl nitrosamin.Phản ứng được tiến hành trong môi trường axit Khi xác định NO2- trongmẫu người ta thêm 5ml dung dịch nền (gồm 4,86g KSCN và 17,2ml HClO4

70% trong một lít nước cất), 1,25ml diphenylamin và 20ml mẫu Điềuchỉnh pH từ 1-2 bằng axit HClO4 nếu cần Đuổi không khí bằng dòng khínitơ, sau đó ghi phổ xung vi phân từ -0,2 – 0,8V Thế đỉnh pic xuất hiện ở -0,52V

Tuy nhiên, phương pháp này sử dụng anot thủy ngân – là một kim loại cóđộc tính rất cao

VI Phương pháp trắc quang

Nitrite xác định bằng phương pháp trắc quang dựa trên cơ sở hình thànhhợp chất màu azo Nitrite phản ứng với amin thơm bậc một trong môitrường axit tạo thành muối diazo ở giai đoạn trung gian, muối này khi tácdụng với hợp chất amin hay hydroxyl tạo thành hợp chất màu azo tươngứng, thích hợp cho phương pháp trắc quang.

*Với thuốc thử Griess

- Nguyên tắc : Trong môi trường axit yếu (pH = 2-2,5) đầu tiên ion nitrite

NO2- phản ứng với thuốc thử Griess A (axit sulfanilic) sinh ra một hợp chấtdiazo và sau đó kết hợp với thuốc thử Griess B (α-naphthylamin) sinh rahợp chất màu diazo naphthyl- amino azobenzene sulfonic hấp thụ quangcực đại tại λ= 520 nm

Phương pháp này có độ chọn lọc cao, ít bị cản trở bởi các chất Tuy nhiên,việc xác định nitrite bị ảnh hưởng bởi: cloramin, clo, thiosulfate, natripolyphosphate và sắt(III)

*Với thuốc thử disunfophenic axit

- Nguyên tắc : Trong môi trường axit yếu ta oxy hóa ion NO2- thành NO3

-và sau đó cho phản ứng với thuốc thử axit disulfophenic để tạo thành hợp

chất nitrophenol, sau đó kiềm hóa dung dịch bằng NH3 thì tạo thành cáchợp chất màu vàng hấp thu ở bước sóng λ= 410 nm.

C6H3(HSO3)2OH + HNO3 = C6H2(OH)(NO2)3 + 2H2SO4 + 2H2O

C6H2(OH)(NO3)3 + NH3 = C6H2(NO2)2ONH4