Nghiên cứu phương pháp xác định nhanh ion amoni và ứng dụng để đánh giá hiện trạng ô nhiễm amoni trong một số nguồn nước sinh hoạt ở hà nội

Do đó đề tài của luận văn được xác định là: “Nghiên cứu phương pháp xác định nhanh ion amoni và ứng dụng để đánh giá hiện trạng ô nhiễm amoni trong một số nguồn nước sinh hoạt ở Hà Nội”.

MỞ ĐẦU

Nước là nhân tố quan trọng nhất quyết định sự sống trên trái đất, là hợp phần chính chiếm tới 70% trọng lượng cơ thể con người và tới 90% ở một số thực vật Nước tham gia vào các phản ứng quang hoá và sinh hoá như phản ứng quang hợp của cây xanh, các phản ứng thuỷ phân, trao đổi chất và tổng hợp tế bào để tạo lên sự sống cho người và động thực vật Không những thế, nước còn giữ vai trò quan trọng, thiết yếu trong đời sống, trong công nghiệp và sản xuất nông nghiệp

Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường, trong đó có môi trường nướcđang là mối quan tâm lo ngại của tất cả các quốc gia trên thế giới nói chung

và ở Việt Nam nói riêng Môi trường nước bị ô nhiễm do nước thải của cácnhà máy công nghiệp, nước thải sinh hoạt, nước rò rỉ từ các bãi chôn lấp chấtthải rắn, nước sau sản xuất nông nghiệp và nước do mưa lũ Một trong nhữngbiểu hiện ô nhiễm nước cấp hiện nay là hàm lượng các chất dinh dưỡng (Nitơ,Photpho) trong nước tăng cao Nồng độ cao của những nguyên tố này trongnước đã tạo điều kiện đặc biệt thuận lợi cho các thực vật xanh sinh trưởng,làm cho nước có màu, mùi, làm giảm lượng oxi hoà tan, cản trở dòng chảycủa hệ thống cấp nước

Theo nhiều nghiên cứu, nguồn nước sinh hoạt ở một số nơi trong HàNội đang bị ô nhiễm amoni (NH4 +) rất nghiêm trọng Hàm lượng amoni theoquy chuẩn Việt nam (QCVN 01:2009/BYT và QCVN 02:2009/BYT) chonước cấp sinh hoạt và ăn uống không được vượt quá 3,0 mg/L [10, 11], nhưngnhiều nơi ở Hà Nội đã bị nhiễm nặng, cao hơn 5-10 lần mức cho phép Điểnhình là khu vực phía nam và tây nam thành phố như Hạ Đình, Pháp Vân,Tương mai, Định Công, Hoàng Mai, Đồn Thủy, Nhổn, với diện tích nguồnnước bị nhiễm lên tới gần 10 km2 và một số điểm nhỏ lẻ ở khu vực Gia Lâm

Khi nước sinh hoạt có nhiễm amoni tiếp xúc với không khí, nhiều loài

vi khuẩn đã chuyển hóa amoni thành nitrit và nitrat Nitrit trong cơ thể cạnhtranh với hồng cầu để lấy oxy và gây bệnh đường hô hấp (đặc biệt đối với phụ

nữ mang thai và trẻ em); mặt khác còn có thể kết hợp với các chất hữu cơ đểtạo ra những chất có khả năng gây ung thư

Chính vì tính cấp bách của vấn đề này mà rất nhiều các công trìnhnghiên cứu đã được tiến hành để tìm ra những phương pháp tối ưu khắc phụcđến mức tốt nhất có thể được Để giúp cho quá trình xử lý ô nhiễm amonitrong nước sinh hoạt thì việc đánh giá xác định nhanh amoni cũng góp phầnkhông nhỏ

Do đó đề tài của luận văn được xác định là: “Nghiên cứu phương pháp xác định nhanh ion amoni và ứng dụng để đánh giá hiện trạng ô nhiễm amoni trong một số nguồn nước sinh hoạt ở Hà Nội”.

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Amoni trong tự nhiên

1.1.1 Vòng tuần hoàn của Nitơ

Trong tự nhiên, nitơ có mặt ở hầu hết các đối tượng môi trường nhưđất, nước, không khí và hệ động thực vật thông qua một chu trình chuyển hóanitơ trong tự nhiên gọi là chu trình nitơ (hay vòng tuần hoàn nitơ), được minhhọa trong hình 1 dưới đây

Quá trình cố định nitơ trong công nghiệp

Quá trình cố định nitơ sinh học

Trong các cơ thể động - thực vật, nitơ là một nguyên tố chính và làthành phần của nhiều hợp chất tham gia quá trình chuyển hóa sinh hoá Ở cácthành phần đó, nitơ thường nằm trong các hợp chất phức tạp như protein, axitnucleic, chất màu, Thực vật tổng hợp protein lấy nitơ dưới dạng amoni vànitrat Con người và động vật bậc cao lấy nguồn cung cấp protein từ thực vật

và động vật bậc thấp hơn

Trong nước, chu trình nitơ cũng thể hiện rất rõ nhờ quá trình chuyểnhóa qua lại của ba dạng: nitơ hữu cơ, nitơ dạng khử - amoni (NH3/NH4+) vànitơ dạng oxi hoá (NO2-, NO3-) do sự hoạt động mạnh mẽ của các vi sinh vật.Trong vòng tuần hoàn này, các nitơ hữu cơ (N-hữu cơ; chẳng hạn nhưprotein) được đưa vào thủy quyển từ các nguồn thải, sinh khối hữu cơ có sẵntrong nước và từ quá trình trao đổi chất của sinh vật nước Tiếp theo, đượcchuyển hóa thành amoni nhờ vi khuẩn dị dưỡng (một vài lượng amoni nàyđược tái trở lại vi sinh vật cho chúng phát triển, phần còn lại vào môi trường).Sau đó, dưới các điều kiện hiếu khí, các sản phẩm nitrit và nitrat được tạothành nhờ các vi khuẩn tự dưỡng nitrosomonas và nitrobacter Các nitrat sinh

ra được thực vật và các loài sinh vật khác trong nước sử dụng như một nguồndinh dưỡng Trong điều kiện hiếu khí, nitrat được các sinh vật sống đồng hóa,nhưng không bị chuyển thành khí nitơ

Dưới các điều kiện yếm khí amoni không bị oxy hóa, chỉ giảm mộtlượng nhỏ do sự đồng hóa để sinh trưởng của các sinh vật Nhưng cũng trongđiều kiện yếm khí này, nitrat lại có thể được chuyển hóa thành khí nitơ nhờ vikhuẩn dị dưỡng denitrat hóa Để thực hiện quá trình này đòi hỏi phải có mặtcác chất hữu cơ để hạ bớt năng lượng Quá trình chuyển NO3- thành NO2-thành NO rồi N2O và N2 gọi là quá trình phản nitrat hoá [29]

Về mặt sinh hóa, chu trình nitơ trong nước có thể minh họa rõ hơntheo hình 2 dưới đây

Hình 2 Chu trình sinh hóa của nitơ [32]

Trong chu trình này, cả hai nhóm vi khuẩn nitrat hóa đều cần oxy đểoxy hóa amoni và nitrit đến sản phẩm không độc - nitrat; nếu các mức oxykhông đủ cung cấp, quá trình nitrat hóa sẽ bị suy giảm và nồng độ amoni cũngnhư nitrit sẽ tăng lên trong thủy vực sẽ gây độc cho sinh vật thủy sinh, đặcbiệt là cá

1.1.2 Tính chất vật lý và hóa học của amoni [5]

Trong môi trường nước, amoni có thể tồn tại ở dạng phân tử (NH3)hoặc ion (NH4+)tùy thuộc vào pH của nước

Vi khuẩn hiếu khí tự dưỡng

Sinh khối chứa các hợp chất nitơ hữu cơ

Nitrobacter

Vi khuẩn hiếu

khí tự dưỡng

sự cố định đạm

F

Ở dạng phân tử, amoni thường gọi - amoniac là một chất khí khôngmàu, mùi khai và xốc, nhẹ hơn không khí Amoniac tan khá tốt trong nước và

độ tan phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ dung dịch Ở 0oC độ tan của amoniac

có thể lên đến 50% trong nước, ở 20oC giảm xuống còn khoảng 35% và ở

100oC thì độ tan của amoniac hầu như bằng 0% Dung dịch amoniac lỏng bánngoài thị trường thường có nồng độ amoniac từ 25 - 27% Khi tan trong nước,amoniac kết hợp với ion H+ của nước tạo thành một dung dịch kiềm yếu theocân bằng:

NH3 + H2O  NH4+ + OH

-Dựa vào phản ứng này có thể chuyển hoá ion amoni (NH4+)trong nướcthành NH3 bằng cách đưa vào môi trường nước một lượng kiềm nhất định đểcân bằng chuyển dịch về bên trái Ngược lại, có thể thêm axit vào nước đểamoni có mặt trong nước tồn tại ở dạng NH4+

Amoniac có thể kết hợp với nhiều muối kim loại tạo thành nhữngamoniacat cực bền như Co(NH3)63+, Hg(NH3)42+, Cu(NH3)42+, Cd(NH3)42+ …với hằng số bền tương ứng Kb = 1,99.1035, 1,99 1019, 1,07 1012, 3,36 106 [2]

Trong môi trường nước tự nhiên, khi pH thấp amoni tồn tại chủ yếu ởdạng ion amoni (NH4+); khi pH tăng (môi trường nước bị kiềm hóa), ion NH4+

có xu hướng chuyển hoá ngược lại thành NH3 Nhìn chung, nếu nồng độamoni ở mức vết, ion amoni là chất không mùi, không màu

Ion amoni có bán kính là 1,43 Ao gần tương đương với các ion kimloại như Rb+ = 1,48 và K+ = 1,44, nên muối của ion amoni giống với muối củakim loại kiềm Hầu hết muối amoni đều dễ tan trong nước và phân ly mạnhtrong nước, nhưng khác với muối kim loại kiềm là muối amoni bị thủy phântrong dung dịch cho môi trường axit :

NH4+ + H2O ↔ NH3 + H3O+ với K = 5,5.10-10

Ion amoni có khả năng tạo phức ít tan với ion Mg2+ và PO43- trong môi trườngNH3 theo phương trình:

NH4+ + Mg2+ + PO43- = NH4MgPO4 ↓ trắng

Thêm nữa, ion amoni còn tạo được hợp chất dị đa kết tủa màu vàng amoniphotphomolipdat - trong môi trường axit theo phương trình:

-3NH4+ + PO43- + 12MoO42- + 24H+ = (NH4)3[PMo12O40 ] ↓ vàng + 12H2O

Kết tủa phức này không tan trong axit nitric nhưng tan trong kiềm vàdung dịch amoniac Những phản ứng này được dùng để nhận ra ion PO43-trong nước [1]

Amoni cũng có thể bị oxi hoá dưới tác dụng của các tác nhân oxi hoátạo thành N2, NO2-, NO3- Với sự có mặt của oxy, amoni chuyển thành nitrattheo phương trình:

NH4+ + 2O2 → NO3- + H2O + 2H+

Trong các điều kiện phản ứng phù hợp và có mặt chất xúc tác, oxykhông khí có thể oxi hoá amoniac thành các nitơ oxit; ngược lại, sự có mặtcủa nitơ oxit cùng với amoniac trong điều kiện thích hợp (có hoặc không cómặt của chất xúc tác) chúng sẽ phản ứng với nhau tạo thành nitơ và nước

4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O

4NH3 + 6NO = 5N2 + 6H2O

2NH3 + NO + NO2 = 4N2 + 3H2O

Amoniac phản ứng mạnh với các axit tạo thành các muối tương ứng,

nó cũng có thể phản ứng với các oxit axit ẩm giống như với các axit

NH3 + HNO3 = NH4NO3

2NH3 + H2O + SO3 = (NH4)2SO4

Quá trình chuyển hoá nitơ trong nước thường bắt đầu từ sự thuỷ phân,oxi hoá và phân huỷ nitơ hữu cơ bao gồm: các hợp chất dị vòng như axitnucleic, protein, peptit, ure…

Dưới tác dụng của enzim ureaza, ure và các hợp chất tương tự ure bịthuỷ phân tạo thành amoniac và muối amonibicacbonat Phản ứng này chịuảnh hưởng nhiều của pH và có thể mô tả bằng phương trình sau:

CO(NH2)2 + 2H2O → NH4+ + HCO3- + NH3

Sự chuyển hoá nitơ hữu cơ thành N - NH4+ được thực hiện nhờ các loại

vi khuẩn thuộc giống Clostridium, E.coli, Bacillus, Proteus,…; các loại nấm mốc thuộc giống Aspergillus, Penicillium, Mucor,…

1.1.3 Hiện trạng ô nhiễm amoni trong các nguồn nước ở Việt nam

Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy do sự khoáng hóa các vật chất giàunitơ trong các lớp than bùn, sự ngấm các chất chứa nitơ từ các hoạt độngsống trên bề mặt đất và sau đó dưới điều kiện yếm khí trong lòng đất bị khử

về amoni [1,6,7], kèm theo việc xả thải bừa bãi chất thải chưa xử lý tốt đã dẫnđến sự ô nhiễm amoni trong nhiều nguồn nước ngầm và nước mặt ở Việt nam.Đáng lưu tâm hơn là sự ô nhiễm này ngày càng có xu thế gia tăng

Chẳng hạn ở Hà nội, các số liệu báo cáo định kỳ của Công ty kinhdoanh nước sạch Hà nội và Liên đoàn Địa chất thủy văn-Địa chất công trìnhmiền Bắc [12] đều cho thấy: nước ngầm Hà Nội có hàm lượng amoni caovượt quá tiêu chuẩn cho phép nhiều lần, nhất là ở phía Nam thành phố Hiệnnay, tại tầng nước ngầm trên (cách mặt đất 25-40m) nước từ các giếng đàocủa người dân đều có hàm lượng amoni cao như xã Pháp Vân (31,6mg/l),phường Tương Mai (13,5mg/l) Tầng nước ngầm dưới (cách mặt đất 45-60m),

là nguồn cung cấp nước cho các nhà máy cũng bị ô nhiễm N-amoni: PhápVân-20mg/l, Tương Mai 5-10mg/l, Hạ Đình 6-12mg/l Nước ngầm một sốkhu vực ở Hà Nội có hàm lượng amoni lớn hơn 10 lần cho phép với diện tích

bị nhiễm lên tới gần 10 km2 [13]

Thêm nữa, diện tích nhiễm bẩn các hợp chất nitơ ngày càng lan rộng ởtầng nước ngầm mạch nông và mạch sâu như trong bảng 1 dưới đây [12]

Bảng 1 Hàm lượng hợp chất nitơ trong nước ngầm Hà Nội

Nguồn: Sở Khoa học, Công nghệ và Môi trường Hà nội, 2002

Ô nhiễm amoni trong các nguồn nước mặt (ao, hồ, sông ) cũng đang

là những bức bách cần được giải quyết Kết quả công bố của Viện Nước vàCông nghệ Môi trường cho thấy: “Amoni trong nguồn nước sông Sài Gònkhông hề có dấu hiệu giảm và biến động theo từng khu vực Có thời điểmnồng độ amoni vượt tiêu chuẩn hơn 20 lần (tiêu chuẩn cho phép 0,05mg/lít)”.Theo nhóm nghiên cứu, amoni tăng do nước từ sông rạch và từ các nguồn thảicông nghiệp, chăn nuôi đưa vào Cụ thể nguồn thải từ trại heo Tân Trung (CủChi) với tải lượng ô nhiễm 1,25kg amoni/ngày đêm Từ rạch Bà Bếp cũngthải gần 16kg amoni/ngày đêm Lâm Minh Triết (2006) cũng có nhận xét:

“Lượng amoni trong nước thải từ khu dân cư và từ các nhà máy hoá chất, chếbiến thực phẩm, sữa có thể lên tới 10-100 mg/l” [8]

Tình trạng ô nhiễm amoni cao, chẳng những làm xú uế môi trườngkhông khí và gây mất cảnh quan cho dân cư sống xung quanh sông Sài gòn,

mà còn gây khó khăn, tăng cao kinh phí cho việc xử lý nước mặt làm nguồnnước cấp cho sinh hoạt; thậm chí có thể dẫn đến việc đóng cửa nhà máy nướcTân hiệp, nơi cung cấp nước cho sạch cho hàng triệu người dân tại các quậnhuyện: 6, 7, 8, Tân Bình, Tân Phú, Bình Tân, Gò Vấp, Nhà Bè, Bình Chánh (theo lời ông Bùi Thanh Giang, giám đốc Nhà máy nước Tân Hiệp) [3]

Như vậy so với QCVN 01:2009/BYT và quy định số 1329/2002/BYT

về tiêu chuẩn vệ sinh nước ăn uống của Bộ Y Tế cho hàm lượng N-amoni là

3 mg/l, thì các con số trên cho thấy một thực tế chung là nhiều nguồn nước ởViệt nam đang ô nhiễm amoni một cách nghiêm trọng

1.1.4 Các tác động có hại của amoni trong nước

Amoni là một sản phẩm phụ độc sinh ra trong quá trình trao đổi chất ở

cơ thể động vật và là sản phẩm của sự phân hủy tự nhiên các chất thải độngthực vật Trong môi trường nước, amoni tồn tại ở cả dạng phân tử (NH3) vàion (NH4+) phụ thuộc mạnh vào pH, nhiệt độ và độ mặn; nhưng pH ảnh hưởngquan trọng hơn cả Nếu tăng 1 đơn vị pH thì tỷ lệ của dạng NH3 sẽ tăng 10lần Khi ion amoni có mặt trong nước cùng với photphat sẽ thúc đẩy quá trìnhphú dưỡng của nước Sự xuất hiện amoni trong nước cũng là hiệu báo nguồnnước bị ô nhiễm, cần phải kiểm soát chặt chẽ các chỉ tiêu khác có nguy cơ gâyhại cho sức khỏe như nitơrat, nitơrit và vi sinh

Độ độc của amoni phụ thuộc cao vào pH nước Chẳng hạn như nó sẽchuyển hóa thành ion amoni kém độc hơn ở pH thấp (pH < 7, amoni bắt đầutồn tại chủ yếu ở dạng ion), nhưng ở pH > 7 các mức độc của amoni tăng lên

do tăng dạng phân tử Mức amoni tổng (NH3 + NH4+) chỉ ở khoảng 0,25 mg/L

đã có thể gây nguy hại cho cá và các loài sinh vật nước khác Riêng dạngphân tử (NH3), chỉ cần ở nồng độ rất thấp (0,01 ÷ 0,02 mg/L) cũng đã có thểgiết chết cá [31]

Amoni là một thông số không bền, khi ở dạng ion, nó lấy oxy trongnước để bị oxy hoá trở thành nitrat Trong trường hợp đó, nó là độc tố đối vớiđời sống của thuỷ sinh trong môi trường nước theo phương trình dưới đây:

NH4+ + 2O2 → NO3- + H2O + 2H+

Đối với cơ thể con người, bản thân ion amoni có mặt trong nước (thựcra) không quá độc, song hàm lượng NH4+ trong nước cao có thể gây một sốhậu quả như sau:

+ Thứ nhất: làm giảm hiệu quả, độ tin cậy của công đoạn clo hóa sáttrùng (bước cuối cùng trong dây chuyền công nghệ xử lý nước hiện hành), dophản ứng ngay với clo để chuyển hóa clo thành cloramin có tác dụng sátkhuẩn yếu so với clo khoảng 100 lần

+ Thứ hai: khi có mặt lâu trong nước, theo chu trình tự nhiên amonidưới tác dụng của oxy và vi khuẩn có thể bị oxy hóa thành nitrit và nitrat Bảnthân nitrit và nitrat không gây ung thư nhưng khi vào cơ thể người dễ phảnứng với các chất khác tạo thành các hợp chất N-nitroso gây ung thư (tiêuchuẩn mới nhất của Bộ y tế yêu cầu tổng N-nitrit và nitrat ≤ 10mg/L)

+ Thứ ba: amoni cùng với một số chất vi lượng trong nước (hữu cơ,photpho, sắt, mangan ) là nguồn dinh dưỡng - thức ăn để vi khuẩn (kể cảtảo) phát triển, gây hiện tượng không ổn định sinh học của chất lượng nướcsau xử lý Nước có thể bị đục, đóng cặn trong hệ thống ống dẫn, bể chứa.Nước bị xuống cấp về các yếu tố cảm quan Đây là khía cạnh chính được giớikhoa học quan tâm nhiều và là yêu cầu bắt buộc về hàm lượng amoni sau xử

lý của mọi quy trình sản xuất nước cấp cho sinh hoạt

1.1.5 Sự chuyển hóa sinh hóa các hợp chất chứa nitơ trong cơ thể sống và tác động tiêu cực của nó

Một mặt con người và động vật bậc cao lấy nguồn cung cấp protein từđộng thực vật, mặt khác nguồn protein này lại được tổng hợp lên nhờ hệthống các enzym (cũng chính là các protein) Protein tạo ra phần lớn vật chấthình thành nên tế bào sống Protein có chức năng: cấu trúc, xúc tác, vậnchuyển, bảo vệ, điều khiển, có giá trị cảm quan và dinh dưỡng Trong quátrình sống của động thực vật và con người, luôn có sự đào thải các chất dư

thừa, khó tiêu hoá và cặn bã dưới dạng nước tiểu và phân Đó là kết quả củaquá trình phân huỷ protein Trong nước tiểu, nitơ tồn tại dưới dạng ure Trongphân và xác động thực vật chứa lượng lớn nitơ hữu cơ Dưới tác động của một

số loại vi khuẩn đặc hiệu, chính những nguồn thải này lại là nguồn dinhdưỡng nitơ để cung cấp cho sự phát triến, sinh trưởng của thực vật

Như vậy, con người và động thực vật luôn cần có nitơ ở một liềulượng thích hợp, và có thể nói chu trình chuyển hoá nitơ trong hệ sinh thái làmột vòng tuần hoàn Ở trên mức cho phép, tất cả các dạng chứa nitơ này đều

có thể gây hại cho sức khoẻ con người và ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái

Chẳng hạn như, nitrat là sản phẩm cuối cùng của quá trình phân huỷcác hợp chất hữu cơ chứa nitơ có trong chất thải của người và động thực vật.Trong nước tự nhiên, nồng độ nitrat thường nhỏ hơn 5 mg/l, vùng bị ô nhiễm

do chất thải hoặc phân bón, hàm lượng nitrat trong nước lên tới trên 10 mg/llàm cho rong tảo dễ phát triển Ở nồng độ cao, nitrat gây ảnh hưởng xấu đếnchất lượng nước sinh hoạt và nuôi trồng thuỷ sản, mặc dù bản thân chúngkhông phải là chất có độc tính nhưng ở trong cơ thể nó bị chuyển hoá thànhnitrit rồi kết hợp với một số chất khác trong cơ thể tạo thành các hợp chấtnitrozo là các chất có khả năng gây ung thư Hàm lượng nitrat trong nước caonếu uống phải sẽ gây bệnh thiếu máu, làm giảm lượng hemoglobin trong máu

Nguyên nhân làm giảm chức năng của hemoglobin là do hàm lượngnitrat tăng trong cơ thể, nitrat sẽ biến thành nitrit và nitrit sẽ tạo thànhmethemoglobinenia bằng sự oxi hoá “hem Fe2+” của hemoglobin.Methemoglobin không có khả năng kết hợp với oxi gây thiếu máu

Nitrit còn có thể kết hợp với các amin, amit và các hợp chất chứa nitơkhác tạo các nitrosamin, một nhóm carcinogen được xem như là tác nhân cókhả năng gây ung thư, đe doạ sự sống của con người

Việc sử dụng nước nhiễm bẩn amoni hay nitrat gây nguy hiểm cho sứckhỏe, trong đó trẻ em là đối tượng chịu ảnh hưởng nhiều nhất Trẻ em uốngnước bị nhiễm amoni hay nitrat có thể dẫn đến tử vong nếu nồng độ cao và ởnồng độ thấp cũng gây bệnh xanh xao, chậm phát triển Nitrat tạo chứng thiếuvitamin và có thể kết hợp với các amin để tạo nên những nitrosamin lànguyên nhân gây ung thư ở người cao tuổi Các nghiên cứu cho thấy, 1gamoni khi chuyển hóa hết sẽ tạo thành 2,7 g nitrit và 3,65 g nitrat (QCVN01:2009/BYT cho phép nồng độ trong nước ăn uống của amoni và nitrit là 3,0mg/L, nitrat là 50 mg/L).

Ở dạng phân tử, amoni thâm nhập vào cơ thể người qua đường hô hấp,

ăn uống và thẩm thấu qua da Amoniac đi qua các lớp mô rất nhanh kể cả lớpbiểu bì ngoài da, nó rất linh động trong các niêm mạc và các dịch trong cơthể Tác động của amoniac trước hết là gây kích thích mạnh, phá hủy cácniêm mạc mũi, mắt và để lại hậu quả Khi hàm lượng amoni trong máu tănglên đến một mức nào đó người ta nhận thấy hàm lượng của nó trong não sẽđột ngột tăng lên; lúc đó nó sẽ tác động lên hệ thần kinh Người ta đã ghi nhậnđược khi hàm lượng amoni trong não khoảng 50 mg/kg, xuất hiện hiện tượng

co cứng các cơ và sau đó là đi vào hôn mê Đối với hệ tuần hoàn, khi hàmlượng amoni tăng lên tới khoảng 100 mg/kg cơ thể thì thường để lại hậu quảnghiêm trọng Các con vật thí nghiệm bị chết vì hội chứng nhiễm độc gây xơvữa tâm thất do amoniac tác động trực tiếp lên tim Thông thường với hàmlượng nhỏ trong không khí và tiếp xúc không thường xuyên thì amoniac hầunhư vô hại

1.2 Các phương pháp xác định amoni [4, 15]

Vì rất nhiều các lý do nêu trên, việc xác định hàm lượng amoni đã trở thành một nhiệm vụ khá quan trọng trong phân tích môi trường, đặc biệt là

phân tích nước [19, 31] Có thể xác định amoni bằng một trong ba phương pháp khác nhau:

-Tách amoni bằng cách chưng cất dung dịch chứa nó trong môi trườngkiềm, sau đó chuẩn độ bằng axit

-Xác định điện thế sử dụng các điện cực nhạy ion

-Xác định trắc quang hoặc so màu

Nồng độ amoni và các chất gây ảnh hưởng là hai yếu tố chính liênquan đến việc lựa chọn phương pháp xác định amoni Nói chung, việc xácđịnh trực tiếp, thủ công trong những trường hợp hàm lượng amoni thấp chỉđược dùng đối với nước uống, nước ngầm và nước bề mặt sạch, hoặc dòngthải đã bị nitro hóa có chất lượng tốt Những trường hợp khác và trong nhữngmẫu có các chất gây ảnh hưởng đến phép xác định hoặc khi cần phân tíchchính xác hơn thì phải chưng cất sơ bộ mẫu trước khi phân tích

Mặt khác, độ chính xác của phương pháp xác định nitơ-amoni phụthuộc rất nhiều vào cách lấy mẫu và xử lý bảo quản mẫu Các mẫu phân tíchngay hoặc sớm hầu hết đều cho kết quả chính xác Nếu các mẫu được phântích trong vòng 24h sau khi lấy mẫu, thì không phải axit hóa mẫu và phải bảoquản lạnh ở nhiệt độ 4C Khi cần lưu mẫu lâu (đến 28 ngày), phải làm lạnhmẫu ở âm 20C và không axit hóa mẫu Nếu bảo quản mẫu bằng axit thì pHphải < 2 và để lạnh 4C, sau đó trung hòa mẫu bằng NaOH hoặc KOH và xácđịnh ngay amoni sau khi trung hòa (Chú ý: việc axit hóa để giữ mẫu thườngảnh hưởng đến kết quả vì có thể làm thay đổi hàm lượng amoni do sự có mặtcủa amoni trong chất rắn ở dạng keo không thể lọc được; đồng thời cũng cầnnhớ rằng phải dùng nước cất không amoni)

Trong ba phương pháp xác định amoni kể trên, phương pháp chuẩn độthể tích luôn phải có bước chưng cất còn hai phương pháp sau thì có thể phảichưng cất và cũng có thể không

1.2.1 Phương pháp thể tích ( chuẩn độ axit-bazơ)

Phương pháp chuẩn độ là phương pháp có thể áp dụng để xác định cảnitơ - hữu cơ và nitơ - amoni trong các mẫu nghiên cứu Phương pháp đượcứng dụng trong khoảng nồng độ từ 5-100 mg N-amoni/l Trong phương phápnày người ta sử dụng axit boric như một chất hấp thụ để chuẩn độ

Nguyên tắc của phương pháp là mẫu được đệm hóa ở pH 9,5 bằngđệm borat để làm giảm sự thủy phân xianat và các hợp chất hữu cơ chứa nitơ.Sau đó sử dụng bình Kjeldahl để cất và hấp thụ amoniac vào dung dịch axitboric (nếu sử dụng phương pháp chuẩn độ) và hấp thụ vào axit sunforic (nếudùng phương pháp phenat) Chọn phương pháp chuẩn độ hay so màu phenat

là tùy thuộc vào nồng độ amoni trong mẫu; hoặc cũng có thể sử dụng phươngpháp điện cực chọn lọc khi thu amoniac vào H2SO4

Dung dịch hấp thụ vào axit sau khi chưng cất phù hợp cho việc xácđịnh nitơ-amoni có hàm lượng từ 5 mg/l trở lên

Xác định amoni trong phần cất bằng cách chuẩn độ với axit HCl 0,02

M hoặc với dung dịch HCl 0,1 M khi mẫu có hàm lượng amoni cao

1.2.2 Phương pháp điện cực chọn lọc

Đây là phương pháp có khả năng xác định nitơ trong một khoảng rộngvới hai phương thức: sử dụng điện cực chọn lọc - ứng dụng trong khoảngnồng độ từ 0,03 ÷ 1400 mg NH3-N/l và điện cực chọn lọc có sử dụng phươngpháp thêm xác định trong khoảng 2,5-30 mg NH3-N/l Phương pháp này cóthể sử dụng để xác định amoni trong nhiều đối tượng như nước uống, nướcmặt, nước thải đô thị và nước thải công nghiệp

Mẫu sau khi đã được đệm hóa ở pH 9,5 và chưng cất, được hấp thụvào 50 ml dung dịch H2 SO4 0,04N đối với phương pháp điện cực chọn lọc vàphương pháp phenat

Điện cực chọn lọc amoni sử dụng một màng thấm kị khí để tách dungdịch mẫu khỏi một dung dịch NH4Cl trong điện cực Amoni hòa tan (NH3 vàNH4+) được chuyển thành NH3 nhờ tăng pH đến 11 bằng một dung dịch kiềmmạnh NH3 sẽ khuếch tán qua màng và làm thay đổi pH Sự thay đổi pH nàyđược đo bằng một điện cực pH

1.2.3 Phương pháp trắc quang

Qua nhiều năm, các phương pháp trắc quang khác nhau để xác địnhamoni đã được sử dụng Những phương pháp được sử dụng thường xuyênnhất là dựa vào phản ứng hóa học tạo phức màu với các thuốc thử vô cơ(Nessler) hoặc thuốc thử hữu cơ (màu xanh indo-) của ion amoni trong môitrường kiềm

Đây là phương pháp khá nhạy, có thể xác định được lượng amoni (tínhtheo N) từ 0,02 mg/l đến 5,00 mg/l Các yếu tố ảnh hưởng có thể loại trừ bằngcách kết tủa với kẽm hydroxit hoặc chưng cất trước khi nessler hóa

Thuốc thử Nessler được sử dụng để xác định amoni trong dung dịchamoni rất loãng và trong nước tự nhiên Phương pháp cũng được ứng dụng đểxác định nitrat và nitrit bằng cách khử chúng trong môi trường kiềm có hợpkim Devarda làm xúc tác tới amoniac; thu các nitrat và nitrit đã bị khử vềdạng NH3 bằng cách chưng cất Quy trình này được ứng dụng với nồng độamoni <0,1 mg/l

* Phương pháp phenat

Phương pháp phenat dựa trên phản ứng tạo phức màu xanh đậmindophenol – giữa amoni, phenol và hypoclorit nhờ sự xúc tác của muốiMn(II) Phương pháp có thể xác định tới 0,01 đến 0,50 mg NH4+-N/l

Dùng thuốc thử phenat, người ta có thể xác định được cả nitơ trongcác loại nước tự nhiên (nước nguồn) và cả nitơ trong nước cống bằng phươngpháp trắc quang Khoảng nồng độ của nó tuyến tính đến 0,6 mg NH3-N/l.Cácyếu tố ảnh hưởng có thể loại bằng cách chưng cất vào chất hấp thụ là H2SO4

Ngoài ra, còn có phương pháp phenat tự động được ứng dụng trênkhoảng nồng độ từ 0,02-2,0 NH3-N/l

Độ kiềm quá 200 mg/l (tính theo CaCO3) và độ axit lớn hơn 100 mg/l(tính theo CaCO3), cũng như độ đục sẽ ảnh hưởng đến phép xác định Việcloại trừ ảnh hưởng này có thể thực hiện bằng cách chưng cất trước

Ngoài ba phương pháp chủ yếu trên, các phương pháp phân tích dòngchảy (FIA), sắc ký ion (IC), phương pháp enzym, phân tích dòng liên tục(sequential injection analysis-SIA) và sắc ký khí – khối phổ (GC/MS) cũngđược sử dụng để xác định amoni trong nước

1.3 Các công trình nghiên cứu xác định nhanh amoni

Như trên (mục 1.2) đã trình bày “việc xác định hàm lượng amoni đã trởthành một nhiệm vụ khá quan trọng trong phân tích môi trường, đặc biệt làphân tích nước”, tuy nhiên việc phân tích amoni trong các đối tượng môitrường thường mất nhiều thời gian, thiết bị phải chuyên dụng và quy trìnhphức tạp do phải xử lý làm giàu, loại các ảnh hưởng, Thêm nữa, độ chínhxác của phương pháp xác định nitơ-amoni phụ thuộc rất nhiều vào cách lấymẫu và xử lý bảo quản mẫu; mẫu chưa được phân tích ngay thường tạo ra sai

số do sự chuyển hóa sang các dạng chứa nitơ khác Vì thế đã có rất nhiều cáccông trình nghiên cứu, tìm cách có thể xác định ngay và nhanh nồng độ

amoni, đặc biệt là amoni trong môi trường nước và không khí Các nghiêncứu này đa phần sử dụng phương pháp quang, hoặc trên cơ sở phương phápquang chế tạo các sensơ nhạy amoni, chiết điểm sương phức màu indophenol, Dưới đây là một số công trình tiêu biểu.

Năm 1992 W Sellien và cộng sự đã nghiên cứu chế tạo một sensơquang hóa để quan trắc ion amoni trong các dung dịch nước Các tính chấtcủa sensơ dựa trên một chỉ thị pH không thay đổi Giới hạn phát hiện củasensơ phụ thuộc vào giá trị pKa của chỉ thị pH đã sử dụng và vào pH cũng nhưnhiệt độ của mẫu Với p-xylenol xanh (pKa = 2,0), giới hạn phát hiện là 1.10-6M/L NH4+ (pH = 6,8; to = 22oC) Thời gian đáp ứng phụ thuộc vào nồng độion amoni và dao động từ 1 đến 60 phút Độ bền của sensơ > 6 tháng Sensơđược tối ưu hóa để phân tích nước thải mà không cần tiền xử lý mẫu Nồng độamoni đo được phù hợp với các kết quả phân tích bằng những phương pháptruyền thống khác [33]

Martina Trinkel và các đồng nghiệp (1996) đã nghiên cứu chế tạo sensơquang cho xác định amoniac trên cơ sở cặp ion (thuốc nhuộm nhạy pH(bromophenol xanh) được cố định như một cặp ion liên hợp vớicetyltrimethylammonium trong nền silicon) [25] Màu của thuốc nhuộm thayđổi từ vàng đến xanh theo sự tăng nồng độ amoni trong mẫu Nồng độ amoniđược đo theo độ truyền qua ở một bước sóng xác định Tất cả các phép đođược thực hiện với một chùm sáng kép, máy đo quang trạng thái rắn Khoảng

đo dao động từ 6.10-7 đến 1.10-3 M (0,01 ÷ 17 µg/L) trong đệm phosphat natri0,1M, pH 8 Thời gian đáp ứng 90% và 100% ở tốc độ dòng 2,5 ml/ph là 4phút và 10 phút, cho một sự thay đổi từ 41,9 ÷ 82,5 µM amoni; hoặc 12 và 48phút cho sự thay đổi từ 160 ÷ 0 µM amoni Độ ổn định của phép đo bị hạnchế bởi tín hiệu nền và độ nhạy amoni Sensơ sử dụng tốt trong khoảng thờigian một vài ngày Độ bền lưu kho là > 10 tháng (khô) Không bị ảnh hưởng

của pH trong khoảng từ 5 đến 9 Hiệu quả sử dụng của sensơ bị ảnh hưởngnghiêm trọng bởi các amin và các chất tảy rửa cation Sensơ có thể được làmsạch lại bằng H2O2 3% hoặc sấy khô (90oC).

King Tong Lau và cộng sự (2004) đã chế tạo được sensơ amoni rắn trên

cơ sở sử dụng phương pháp tạo màu indophenol, cho phép tốc độ hình thànhmàu nhanh hơn so với sensơ loại này đã biết trước đây Nhiệt độ trong quátrình xác định màu ở khoảng 20oC; độ tuyến tính của phép đo nằm trongkhoảng nồng độ từ 1÷ 10 ppm Ý tưởng về một hệ thống bán tự động bao gồmmột camera kỹ thuật số đen trắng được chiếu sáng bằng đèn LED màu đỏ,xanh lá cây và xanh da trời để đo độ đáp ứng của sensor [21]

Năm 2005, Joon-Shik Park và cộng sự [28] cũng đã đưa ra ý tưởng vàchế tạo thành công những vi hệ thống phân tích tích hợp amoni (IMAAS) cóbình phản ứng nhỏ và detector quang đẳng diện kèm bộ vi chia dòng Sử dụngquy trình MEMS để chế tạo IMAAS có kích thước 5 cm x 5 cm và dày 1

mm IMAAS được nối với đầu vào và đầu ra, sợi quang học nối với nguồnsáng đẳng diện và detector quang UV liên kết epoxy Tốc độ phản ứngchuyển hóa amoni để hình thành indophenol trong IMAAS được tăng lên nhờnhiệt độ Trong trường hợp phản ứng ở 318oK, thời gian phản ứng < 1 phút,phù hợp tốt cho việc phân tích amoni hiện trường Trong tương lai, nhóm tácgiả mong muốn sẽ chế tạo những hệ thống nhỏ kiểu này để phân tích linh hoạtcác chất khác cũng như để xác định tổng cộng cả nitơ hữu cơ và nitơ amoni

Chúng ta cũng biết rõ là việc đánh giá nồng độ các ion nitrat và amonitrong nước ngầm bị nhiễm bẩn bởi các nguồn nước thải là cực kỳ quan trọng.Những xác định này thường được thực hiện trong phòng thí nghiệm sử dụngthiết bị hiện đại và tinh sảo trong khoảng thời gian từ 2 giờ đến 3 ngày Tuynhiên, nhiều khi chúng ta cần có kết quả nhanh và tại chỗ Bởi thế việc xácđịnh được nhanh cả nitrat và amoni là rất cần thiết nhờ sử dụng một test kit

hiện trường amoni (LaMotte, Chestertown, MD) Test được chế tạo sử dụngkhả năng khử của TiCl3 mà có thể chuyển ion nitrat (đến 15 ppm) sang amoni(Braunstein, et al, 1980) Nitrat đã khử bằng TiCl3 không cần dùng bột Cd độcnữa Bởi thế phương pháp có khả năng xác định ion nitrat và ion amoni lầnlượt sử dụng test kit hiện trường amoni Nồng độ test kit hiện trường cho kếtquả tốt tương đương phòng thí nghiệm (R2 = 0,85 và 0,89) và độ phân tán (độlệch chuẩn) giữa 2 phương pháp là nhỏ, chứng tỏ test kit là phương pháp hiệntrường chấp nhận được [16].

Với thuốc thử Nessler, đã được sử dụng từ rất lâu để xác định N-amonitrong các loại nước khác nhau [21, 33], thì trong quy trình phân tích nướcuống chỉ cần nước cất không amoni là đủ nhạy, nhanh và đơn giản Tuynhiên, người ta vẫn tìm thấy những ảnh hưởng khác nhau của nền mẫu đếnkết quả phân tích Những ảnh hưởng này, trước tiên phải nói đến sự xuất hiệncác hợp chất cloramin vô cơ và clo dư của nước uống sau khử trùng clo Mặc

dù đã có khuyến cáo phải khử hết cloramin và clo dư ra khỏi mẫu trước khicho thuốc thử Nessler bằng một lượng thisulphat tương đương (được tính toánnhờ việc sử dụng dữ liệu xác định clo có sẵn trong một mẫu nước riêng – theoGOST 4129) Nhưng những kiểm tra sơ bộ đã cho thấy việc khuyến cáo này

là sai lầm Theo nghiên cứu của L N Demutskaya and I E Kalinichenko(công bố tháng 4 2010), phân tích nước uống đã khử trùng bằng clo theophương pháp Nessler cũng phải được cải tiến [24]

Hay như phương pháp Nessler chuẩn khuyến cáo đo quang ở hai bướcsóng khác nhau phụ thuộc vào nồng độ amoni trong mẫu (< 5 mg/L đo ởkhoảng 420 nm và > 5 mg/L đo ở 500 nm) [15] và đo độ hấp thụ quang (trước

và sau khi phá hủy phức màu bằng axit thioglycolic) có thể xác định được amoni trong các mẫu nước tự nhiên có nồng độ axit humic cao mà không cần

N-xử lý đặc biệt mẫu [24] Lý do của những khuyến cáo này là việc cho rằng sự

hình thành các sản phẩm màu khác nhau của tetraiodo thủy ngân với ionamoni trong môi trường kiềm [15] Nhưng thực ra, màu quan sát được trongtrường hợp này là do phức polime tan của Hg [24] chứ không phải là màu củanhững hạt keo mịn như những công bố trước đây [21, 33] Các sản phẩmchính của sự tương tác này là các phức màu polime của thủy ngân (II) chứaN-nitrua, iodua và ion OH-, được hình thành trong quá trình tự xúc tác phứctạp [23].

Mặt khác, đã biết rằng việc xác định N-amoni bằng thuốc thử Nesslerthường bị ảnh hưởng bởi các amin béo và thơm, các cloramin hữu cơ, cácancol, các andehyt, xeton và các hợp chất khác [15, 23] làm ảnh hưởng đếnmàu của phức giữa thuốc thử Nessler và ion amoni, đồng thời gây đục Nêntrong quá trình phân tích, các mẫu nước chứa hàm lượng các hợp chất trêncao thường phải được tách thu amoniac nhờ chưng cất Kjeldahl Tương tự đểloại bỏ các ảnh hưởng gây đục, khi phân tích amoni trong nước uống, tatratđược cho vào để tạo phức tan với Ca, Mg và Fe(III) trong môi trường kiềm.Chính vì vậy, những nghiên cứu nhằm tạo điều kiện xác định nhanh và ngayamoni trên hiện trường vẫn luôn được tìm kiếm và phát triển, cải tiến

Đến năm 1999, Minoru OKUMURA và các đồng nghiệp của ông đãnghiên cứu và công bố công trình sử dụng phương pháp trắc quang và so màubằng mắt đơn giản để xác định nitơ-amoni trong nước Phương pháp được đềxuất dựa trên sự phát triển màu xanh indothymol hình thành giữa NH4+ vàthymol Sự phát triển màu được tăng nhanh nhờ xúc tác nitroprusside và thayđổi quy trình tạo màu Màu đã xuất hiện nhanh rõ rệt so với các phương pháptruyền thống dùng indothymol xanh và indophenol xanh Khoảng nồng độ xácđịnh bằng phương pháp trắc quang là 0,04-1,2 mg/l theo NH4 – N Độ hấp thụcho 1 µg NH4 – N là 0,0215 (độ hấp thụ phân tử mol = 1,51.104) ở 690 nm.Phương pháp so màu bằng mắt không sử dụng dụng cụ được coi là phương

pháp phù hợp cho hiện trường đã được phát triển dựa trên các điều kiện tối ưuđối với phương pháp trắc quang đã xây dựng Phương pháp đo bằng mắt này

đã được áp dụng thành công để xác định nitơ-amoni trong các môi trườngnước, mà không cần thiết bị cũng có thể phân tích được nhiều mẫu nước trongmột thời gian ngắn trực tiếp ở vị trí lấy mẫu [26]

Sau đó các tác giả này [27] còn nghiên cứu một phương pháp làm giàu

sơ bộ ngay tại chỗ đơn giản và nhanh chóng dùng cho việc xác định lượngNH4+ nhỏ trong các mẫu nước bằng phổ quang kế đã được phát triển dựa trênphương pháp chiết pha rắn sử dụng một ống nhỏ có bọc ngoài một lớp

octadecyl và bôi thêm lớp gel axit silisic (Sep-Pak C18 cartridge) Mẫu nước

được đổ vào từ từ để công việc được tiến hành một cách đơn giản, và ngănchặn được sự ô nhiễm ngay lập tức sau khi đổ các mẫu nước vào Amonitrong mẫu nước được phản ứng với hypoclorit và thymol để chuyển thànhmàu xanh indothymol; sau đó màu xanh này sẽ được thu lại như một cặp iongồm ion màu xanh indothymol và ion tetrabutylammonium trong ống Sep-Pak C18 Màu xanh indothymol trên ống duy trì được trong 4 ngày Màuxanh này dễ dàng được tách rửa bằng một hỗn hợp gồm methanol và dungdịch sodium hydroxide 0,01mol/L Độ đậm của màu được đo bằng quang phổ

kế ở bước sóng 725nm Phương pháp đề xuất này đã được ứng dụng thànhcông đối với các mẫu nước ngoài môi trường như nước sông và đã sử dụngvào việc đo amoni trong các mẫu nước sông Hii và sông Asakumi Sông Hiichảy qua các khu vực không có dân cư và đổ vào hồ Shinji, và sông Asakumi

là một con sông nội thành, chảy qua thành phố Matsue đổ vào hồ Nakaumi

Keiichi Fukushi và cộng sự [19] đã sử dụng phương pháp điện di maoquản có đầu dò UV trực tiếp để xác định amoni trong các mẫu nước sông vàbiển Theo cách này, các ion kim loại kiềm và kiềm thổ cùng có mặt trong

mẫu không ảnh hưởng đến phép xác định Giới hạn phát hiện (LOD) là 0,24

mg (N2)/L Kết quả phù hợp với việc phân tích bằng sắc ký ion

Năm 2008, Abbas Afkhami và Rasoul Norooz-Asl [14] dã công bố mộtquy trình chiết điểm sương nhanh, chọn lọc và nhạy sử dụng hỗn hợp chấthoạt động bề mặt trung tính (Triton X-114) và cationic(cetyltrimethylammonium bromide – CTAB) để chiết indophenol đã thànhthành trong phản ứng Berthelot với amoni từ dung dịch lỏng Phản ứng dựatrên phản ứng màu của amoni và phenol dưới các điều kiện oxy hóa phù hợptrong môi trường kiềm và chiết điểm sương thuốc màu đã được sinh ra Hiệuquả của phản ứng và các thông số chiết đã được nghiên cứu và các thông sốtối ưu đã được xây dựng Độ tuyến tính của phép xác định năm trong khoảng2,00 ÷ 125,00 mg/L amoni Giới hạn phát hiện của phương pháp là 1 mg/L.Ảnh hưởng của một số ion cũng được kiểm tra Phương pháp được ứng dụng

để xác định amoni trong các mẫu nước tự nhiên

Tóm lại, có rất nhiều nghiên cứu nhằm tìm kiếm xác định nhanh, tiệnlợi, đơn giản và chính xác các kỹ thuật hiện đại trên cơ sở của sự tạo phứcmàu Một số kỹ thuật phân tích được tổng kết trong bảng dưới đây

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP, NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu

Hiện trạng các nguồn nước sinh hoạt trong địa bàn Hà Nội bị nhiễmamoni là một vấn đề đang được quan tâm Để có cái nhìn đúng đắn và khoahọc về vấn đề này chúng ta cần nắm rõ được hiện trạng nhiễm amoni thực tếđang diễn ra Vì thế để có được kết quả nhanh và chính xác thì phương phápxác định là điều rất quan trọng Nghiên cứu phương pháp xác định nhanh ionamoni không chỉ giúp đánh giá chính xác sự nhiễm amoni mà còn giúp tiếtkiệm được thời gian cũng như công sức của đội ngũ kỹ thuật viên cũng nhưcác nhà nghiên cứu, cho kết quả chính xác trong thời gian sớm nhất phục vụtốt cho quá trình khảo sát, điều tra về tình trạng nhiễm amoni Vì thế đối

tượng nghiên cứu trong luận văn này là tìm ra phương pháp xác định nhanh amoni trong nước sinh hoạt và ứng dụng để đánh giá sự nhiễm amoni trong một số nguồn nước cấp của Hà nội.

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp tổng quan tài liệu

Các tài liệu, số liệu, bản đồ, các công trình nghiên cứu có liên quanđến khu vực nghiên cứu sẽ được thu thập Tài liệu thu thập được sẽ được xử

lý, phân loại và từ đó xác định những vấn đề cần thiết cho việc nghiên cứu vàkhảo sát của luận văn

Các phương pháp có thể sử dụng hoặc chuyển đổi để phân tích nhanhamoni được khảo cứu từ các tài liệu trong và ngoài nước Các tài liệu, số liệu

về nhiễm amoni trong các nguồn nước sinh hoạt của khu vực nghiên cứu,được thu thập từ Sở tài nguyên và môi trường, các báo cáo thường niên củađịa phương và các nghiên cứu khoa học liên quan

2.2.2 Phương pháp thực nghiệm

Để đạt mục tiêu của luận văn, các phương pháp nghiên cứu trongphòng thí nghiệm đã được tiến hành nhằm tìm chọn được phương pháp có thểxác định nhanh nồng độ amoni trong các mẫu nước cấp, nước ngầm và nước

ăn uống

Trên cơ sở tổng quan tài liệu, xem xét các phương pháp xác địnhamoni, hai nhóm thuốc thử vô cơ và hữu cơ được lựa chọn để khảo sát trongluận văn Nhóm thuốc thử vô cơ được chọn là phương pháp sử dụng thuốc thửNessler (phương pháp Nessler) Nhóm thuốc thử hữu cơ được lựa chọn làphương pháp Berthelot với thuốc thử dẫn xuất của phenol là thymol Cả haiphương pháp này đều có thể chuyển hóa thành các phương pháp phân tíchnhanh tại hiện trường (bằng cách xây dựng thang màu chuẩn - tương đươngnhư đường chuẩn trên máy) thay vì đo trên máy trắc quang tại phòng thínghiệm

2.2.3 Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa

Sau khi xây dựng được quy trình phân tích nhanh amoni, việc khảo sátthực địa được tiến hành nhằm mục đích lập sơ đồ lấy mẫu và lấy mẫu nước đểđánh giá hiện trạng nhiễm amoni trong một số nguồn nước cấp khu vực nộithành Hà nội bằng quy trình phân tích đã xây dựng

2.3 Nội dung nghiên cứu

2.3.1 Hóa chất, dụng cụ thí nghiệm và thiết bị phân tích

* Dụng cụ và thiết bị phân tích

- Máy cất nước Aquatron A4000D, xuất xứ Cộng hoà Liên bang Đức

- Cân phân tích hiệu Citizen, model: CX220, xuất xứ Ba Lan

- Bình định mức các cỡ

- Pipet có các dung tích khác nhau.

- Cốc thuỷ tinh, phễu, giấy lọc

- Chai polietylen 500 ml

- Tủ lạnh để bảo quản hoá chất và mẫu

- Máy đo pH: Mi 151 Martini instruments, xuất xứ Phần Lan

- Máy đo quang JASCO V-530, xuất xứ Nhật Bản

* Hoá chất, thuốc thử và cách pha chế

- Nước cất không amoni

Nước cất không amoni có thể chuẩn bị bằng cách: cho nước đã cất quacột trao đổi ion chứa nhựa trao đổi ion hỗn hợp Amberlite MB-1 Hoặc có thể

sử dụng thẳng nước cất 2 lần vừa mới sản xuất

Sau đó, nước đã loại amoni được dự trữ trong bình thủy tinh trung tính

có nút đậy kín khí Sử dụng nước cất không amoni cho tất cả các thí nghiệmtiếp theo

- Dung dịch amoni (N-NH4+) chuẩn

+ Dung dịch gốc chứa 0,1 g N-NH4/L: cân 0,3819 g NH4Cl tinhkhiết hoá học (đã sấy khô ở 105oC trong 2h) cho vào bình định mức

100 ml và định mức bằng nước cất không amoni đến vạch mức Dungdịch này có nồng độ N-NH4+ = 1g/L

+ Các dung dịch chuẩn có nồng độ amoni thấp hơn được phaloãng từ dung dịch chuẩn gốc trước khi sử dụng bằng nước cất khôngamoni

- Dung dịch Segnet 30%: cân 50 g KNaC6H4O6 hoà tan sau đó địnhmức tới 100 ml bằng nước cất không amoni

- Thuốc thử Nessler

+ Nessler A: hòa tan một lượng cân chính xác 7,0 g KI và 10,0 gHgI2 trong khoảng 50 ml nước cất không amoni, rồi định mức thành

- Dung dịch Thymol 3%: cân chính xác 3,000 g thymol isopropylphenol), hoà tan trong 100 ml dung dịch NaOH 2M.

(5-metyl-2 Dung dịch đệm: cân 0,794 g Na2CO3 và 0,504 g NaHCO3 cho vàobình định mức 100 ml và định mức đến vạch bằng nước cất không amoni

- Dung dịch chuẩn hypoclorit 1%: sử dụng 1 ml dung dịch hypoclorit(5% clo hoạt động , Pakshoo), pha loãng với 4 ml nước cất không amoni đểđược dung dịch chuẩn gốc Dung dịch này có thể sử dụng trong 5 ngày

Từ dung dịch chuẩn gốc, pha các dung dịch có nồng độ mong muốnngay trước lúc sử dụng

- Dung dịch citrat kiềm: hòa tan 200 g Na3C6H5O7.2H2O và 10 g NaOHtrong nước không có amoni, lắc đều cho tan, sau đó định mức thành 1000 ml

- Dung dịch oxi hóa: trộn lẫn 100 ml dung dịch citrat kiềm với 25 mldung dịch hypoclorit

- Dung dịch natri nitropruxit 2%: cân 2 g natri nitroprusside dihydrat(Na4[Fe(CN)5NO].2H2O), hòa tan trong bình định mức 100 ml bằng nước cấtkhông amoni Bảo quản trong chai tối màu Sau đó, pha các dung dịch làmviệc có nồng độ mong muốn từ dung dịch này trước khi sử dụng

Một số các hóa chất khác dùng cho nghiên cứu đều phải có độ tinhkhiết PA hoặc tinh khiết hóa học của Việt nam, Trung quốc, Merck, Pakshoo.Các thuốc thử đều của hãng Merck.

2.3.2 Nghiên cứu xác định nhanh amoni trong nước sử dụng phương pháp Nessler

Đây là phương pháp đại diện và tiêu biểu nhất của thuốc thử vô cơ choxác định amoni và có lẽ cũng là phương pháp đo màu sớm nhất được JuliusNessler (Nhà Hóa học người Đức, 1827-1905) đề nghị sử dụng lần đầu tiênvào năm 1856 Nguyên tắc của phương pháp là dung dịch muối amoni loãng

sẽ phản ứng với thuốc thử Nessler (K2HgI4) trong môi trường kiềm để sảnsinh ra một chất keo màu vàng đến nâu sẫm/đỏ; để lâu hoặc nồng độ amonilớn sẽ tạo kết tủa bông Màu tạo ra giữa thuốc thử Nessler và ion amoni cócực đại hấp thụ quang trong khoảng bước sóng từ 420 đến 500 nm tùy thuộcvào nồng độ amoni trong mẫu [APHA 18th ed.]

Cũng phải nói rằng, phương pháp so màu với thuốc thử Nessler vốn làmột phương pháp tiêu chuẩn và được coi là phương pháp đo chất lượng nướckinh điển hơn một thế kỷ qua [APHA 19th & 20th ed.] Mặc dù việc sử dụngthủy ngân là độc và ngày nay đã không coi nó là phương pháp tiêu chuẩn nữa,nhưng nó vẫn được sử dụng để xác định amoni trong thực tế và cả để làm cáctest kit xác định nhanh amoni [24]

Các ion sắt, canxi, magie, trong nước gây cản trở phản ứng nên cầnphải loại bỏ bằng cách chưng cất hoặc che bằng dung dịch Segnet hay dungdịch EDTA Nước đục xử lý bằng dung dịch ZnSO4 5% Clo dư trong nướcđược loại trừ bằng dung dịch Natrithiosunfat 5% Phương pháp Nessler cókhả năng xác định được amoni trong khoảng 0,2 – 10,0 mg N-NH3/L

* Phương pháp tiêu chuẩn (theo APHA, tái bản lần thứ 18, 1992)

Đường chuẩn cho xác định ion amoni được xây dựng như sau: chuẩn bị

1 loạt ống Nessler (hoặc bình định mức) 50 ml thêm lần lượt 1,0; 2,0; 3,0;4,0; 5,0; 7,0; 8,0; 9,0 và 10,0 ml dung dịch NH4Cl tiêu chuẩn (nồng độ 50 mgNH3/L) Thêm 1 ml dung dịch Segnet, lắc đều; thêm tiếp 2 ml dung dịchthuốc thử Nessler vào mỗi ống và điền nước đến 50 ml, lắc đều Để yên 10phút rồi so màu trên máy trắc quang ở bước sóng 420 nm

Tiến hành xác định amoni trong các mẫu thực tế như sau: cho vào bìnhnón (dung tích 250 ml) 100 ml dung dịch mẫu nghiên cứu, thêm 1 ml ZnSO410%, lắc đều Điều chỉnh pH đến 10,5 bằng dung dịch NaOH 6N Để lắng vàiphút rồi lọc lấy phần dung dịch Tiếp đó lấy vào bình định mức 50 ml mộtlượng dung dịch đã lọc có hàm lượng NH4+ trong khoảng từ 0,02 - 5,00 mgNH3 - N/L (nếu hàm lượng cao hơn thì có thể pha loãng để có dung dịch nồng

độ phù hợp) Loại bỏ các ion cản trở bằng cách thêm 1 ml dung dịch EDTAvào và khuấy đều dung dịch hay dùng 1 ml dung dịch Segnet để che các ionảnh hưởng đến phép phân tích và thuốc thử Nessler Thêm 2 ml dung dịchthuốc thử Nessler vào mẫu, lắc đều Để yên 10 phút rồi so màu ở bước sóng400-425 nm (nếu dùng cuvet có bề dày 1cm thì có thể phân tích được amonitheo nitơ đến 0,4-5,0 mg/L) Nếu nồng độ nitơ amoni đến 10 mg/L có thể xácđịnh bằng phương pháp này đo ở bước sóng 525 nm

Do màu của dung dịch dịch chuyển từ vàng sang nâu đỏ; cho nênphương pháp Nessler được khuyến cáo sử dụng hai vùng bước sóng để đo độhấp thụ quang để nâng cao độ chính xác (400 - 425 nm cho khoảng nồng độ0,2 - 5 mg/L và 450 - 500 nm cho khoảng nồng độ 5 - 10 mg/L) [15]

* Xây dựng phương pháp xác định nhanh theo Nessler

Để thích ứng với việc đo nhanh tại hiện trường, với các mẫu phân tích

là nước cấp, chúng tôi đã tiến hành lập đường chuẩn và phân tích theo quytrình thu nhỏ như sau: chuẩn bị dãy các ống nghiệm dung tích 20 ml, đánh sốthứ tự các ống nghiệm từ 1÷11 Cho vào từng ống nghiệm các dung dịchthuốc thử theo thứ tự như sau:

- Dung dịch NH4+ có nồng độ 0; 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10mg/L được lấy lần lượt vào các ống nghiệm với thể tích như nhau là 10

Cách tính kết quả

Đối với mẫu phân tích, lượng mẫu được lấy để đo là 10 ml như đối vớimẫu chuẩn và các bước tiến hành được làm tương tự như đối với mẫu chuẩn.Kết quả được xác định như sau:

Sau khi đo độ hấp thụ quang trên máy so màu ta được giá trị Abs Sửdụng phần mềm chuyên dụng để rút ra phương trình đường chuẩn biểu diễn

sự phụ thuộc độ hấp thụ quang vào nồng độ amoni trong mẫu

Phương trình đường chuẩn có dạng: y = ax + b

→ x = ( y – b)/a

Các yếu tố ảnh hưởng là pH, nồng độ thuốc thử, các ion ảnh hưởng đến

phản ứng và màu của dung dịch được khảo sát theo phương pháp thay đổi mộtthành phần với nồng độ amoni là 5 mg/L

2.3.3 Xác định nhanh amoni trong nước sử dụng phương pháp Phenat

* Cơ sở lý thuyết và cơ chế phản ứng màu indophenol

Phương pháp Phenat là phương pháp dựa vào phản ứng tạo phức màuxanh đậm – indophenol giữa amoni và phenol với hypoclorit ở pH cao Nhờ

độ nhạy, độ chọn lọc cao và ít bị ảnh hưởng bởi các các ion khác, mà phươngpháp phenat trong thực tế đã trở thành cơ sở vững chắc cho một quy trìnhphát hiện và phân tích ion amoni Các lĩnh vực ứng dụng để phân tích amonirất đa dạng gồm: xác định amoni trong nước, trong thực phẩm, dịch chiết từđất, các vật liệu sinh học [24]

Quá trình hình thành màu xanh của hợp chất indophenol đã đượcBerthelot mô tả từ đầu năm 1859 [23] Sau đó, nhiều quy trình xác địnhamoni trên cơ sở phản ứng Berthelot ra đời và được ứng dụng vào thực tế.Hầu hết các bước tiến hành trong những quy trình khác nhau này đều gồm:việc đầu tiên là thêm một lượng chính xác dung dịch thuốc thử (phenol hoặcdẫn xuất của phenol) vào mẫu chứa amoni, tiếp theo thêm xúc tác (mangansulfat hoặc natri nitroprusside) và sau đó là dung dịch chất oxy hóa Nhiệt độtrong quá trình thực hiện các phản ứng tạo màu ở khoảng từ 27 – 37oC; thờigian để màu hình thành và ổn định thường khoảng từ 20 đến 120 phút (tùyquy trình) Màu được hình thành có độ hấp thụ quang cực đại ở bước sóng từ

630 đến 690 nm (tùy thuộc vào dùng phenol hoặc một dẫn xuất nào đó củaphenol và điều kiện phản ứng) [17, 20, 21, 22]

Sự có mặt của natri nitroprusside có tác dụng xúc tiến cho phản ứngnhanh hơn, đồng thời nó còn tham gia phản ứng với p-aminophenol tạo sản

phẩm có màu tương tự hợp chất indophenol Phản ứng xảy ra theo hai hướngnhư vậy đã làm tăng cường độ màu và độ nhạy của phương pháp.

Một điều lý thú khi nghiên cứu về sự hình thành màu xanh indo- là việcphát hiện ra khả năng làm tăng độ nhạy và tốc độ hình thành hợp chất màucủa các thuốc thử chứa gốc phenol Theo nhiều nghiên cứu [20], phân tửthuốc thử cần có một chỗ trống ở vị trí para, nhóm hydroxy ở vị trí 2- hoặc 3-

so với nhóm ankyl và nhóm ankyl chứa từ 1-6 nguyên tử cacbon Trên cơ sở

đó, một loạt dẫn xuất phenol được thử nghiệm chi tiết và được kiểm tra bằng

kỹ thuật ưu tiên để xác định tính phù hợp của chúng trong việc phát hiện, địnhlượng ion amoni Chẳng hạn như 2-metylphenol; 2,6-dimetylphenol; 2-clophenol; 2,6- dicl ophenol; guaiacol; o-phenylphenol; m-cresol; 1-naphtol

và đặc biệt là 2-metyl-5-hydroxyquinolin cũng được phát hiện là có thể sửdụng được trong thực tế (Analyst 109, 549 (1984)) Các thuốc thử thườngđược sử dụng nhiều nhất là phenol, axit salicylic và thymol [24]

Tùy thuộc vào nguồn hypochlorit và các hợp phần của phenol, một loạtcác yêu cầu về điều kiện tối ưu cho các phản ứng đặc trưng phải được nghiêncứu như pH, thời gian, trình tự thêm tác nhân,

* Nghiên cứu xác định nhanh ion amoni bằng thuốc thử thymol

Theo phương pháp Phenat chuẩn, đường chuẩn và quy trình phân tíchđược tiến hành như sau: cho vào 25 ml mẫu (mẫu chuẩn hoặc mẫu phân tích)lần lượt 1 ml dung dịch phenol, 1 ml dung dịch nitroprusit và 2,5 ml dungdịch oxi hóa Lắc đều sau mỗi lần cho thuốc thử vào mẫu Đậy nắp bình lại vàquấn ủ bình bằng giấy plastic hoặc parafin Để bình trong buồng có nhiệt độ

từ 22-270 C với ánh sáng dịu và so màu ít nhất sau 60 phút ở bước sóng 640

nm Đường chuẩn được tiến hành tương tự Khoảng tuyến tính để phân tích