Bài giảng phân tích môi trường

PHÂN TÍCH MƠI TRƯỜNG Bộ mơn: Kỹ thuật mơi trường Khoa Quản lý cơng nghiệp Mơi trường Mục đích môn học Cung cấp kiến thức về: - Chỉ thị môi trường Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng môi trường Phương pháp xử lý phân tích thơng số chất lượng môi trường Đảm bảo chất lượng kiểm sốt chất lượng phân tích mơi trường Nội dung • • Chương I Chỉ thị mơi trường tiêu chuẩn đánh giá chất lượng môi trường Chương II Các phương pháp đo đạc phân tích thơng số chất lượng mơi trường • • Chương III Xử lý mẫu Chương IV Đảm bảo chất lượng kiểm sốt chất lượng phân tích mơi trường • Chương V Các thí nghiệm thực hành Tài liệu tham kho Huỳnh Trung Hi - Bài ging Phân tÝch m«i trêng” - ViƯn Khoa häc c«ng nghƯ M«i trờng Bách khoa ã Viện thổ nhỡng nông hoá Sổ tay phân tích đất, nớc, phân bón trồng Nhà xuất bn nông nghiệp, 1998 ã ã ã ã Trần Tử Hiếu - Giáo trỡnh Hóa phân tích - Trờng ại học khoa học tổng hợp Hà Nội - 1992 Các TCVN môi trờng APHA Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater 19th Edition, 1995 Hoàng Minh Châu, Từ Văn Mặc, Từ Vọng Nghi Cơ sở Hóa học Phân tích Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2002 •Trang web:http://www.nea.gov.vn Chương I: Chỉ thị môi trường tiêu chuẩn đánh giá chất lượng môi trường I.1 Khái niệm thị môi trường I.2 Tiêu chuẩn chất lượng môi trường I.1 Khái niệm thị môi trường * “Chỉ thị” (indicator) ? Khi bạn bị ốm bị sốt, tăng thân nhiệt bạn thị Nồng độ ôxy thấp sông thị cho thấy lượng lớn chất hữu thải vào sơng Một thị mơi trường tương tự thước đo “nhiệt độ” mơi trường Vậy, việc truyền đạt thơng tin chức thị * Khái niệm thị môi trường - Theo UNEP: ChØ thị môi trờng (CTMT, Environmental Indicator) độ đo tập hợp số số liệu môi trờng thành thông tin tổng hợp (Aggregate) khía cạnh môi tr ờng quốc gia địa ph¬ng -Theo Luật Bảo vệ Mơi trường số 52/2005/QH11 ngày 29 thỏng 11 nm 2005: Chỉ thị môi trờng tập hợp thông số môi trờng để đặc trng môi trờng Ch th mụi trường sở để lượng hóa chất lượng mơi trường, theo dõi diễn biến chất lượng môi trường, lập báo cáo trạng môi trường Bộ Tài nguyên Môi trường ban hành thị môi trường quốc gia để áp dụng nước” NhiỊu chØ thÞ môi trờng hợp lại thành CTMT nớc, vùng, địa phơng Thớ d số thị môi trường liên quan đến suy thoái tài nguyên rừng: Chỉ thị áp lực mơi trường: diện tích rừng bị năm (ha, % tổng diện tích năm trước) Chỉ thị trạng thái mơi trường: tổng diện tích rừng có (ha, % tổng diện tích lãnh thổ) Chỉ thị đáp ứng xã hội: Diện tích rừng trồng/năm (ha) * Chức năng: o Cung cấp thông tin cho trị gia, nhà hoạch định sách: – Vấn đề tiến triển nào? – Các tiến độ đạt so với mục tiêu đề ra? – Quy hoạch dự báo nói chung – mối liên hệ phát triển kinh tế quản lý môi trường o Hoạch định sách: – Đặt mục tiêu, tiêu – Theo dõi việc thực sách – Hoạch định, thực thi, đánh giá hiệu sách o Cung cấp thơng tin cho cộng đồng – Chuyển tải thông tin, tuyên truyền, nâng cao nhận thức thay đổi hành vi cộng đồng * Q trình xây dựng thị mơi trường tiêu chí lựa chọn thị mơi trường: Q trình xây dựng thị mơi trường: Theo GS.Lê Thạc Cán: Trong trình xác định thị phù hợp khả thi, lấy nhu cầu người sử dụng với cương vị nhà quản lý mơi trường làm xuất phát điểm, cách tiếp cận giúp ích: √ Các yếu tố ảnh hưởng đến dạng sóng cực phổ: + Nhiều sóng cực phổ bị biến dạng xuất tăng đột ngột dòng khuếch tán, gọi “cực đại”: cực đại xuất khoảng hẹp (loại 1), cực đại xuất kéo dài khoảng rộng (loại 2) + Cực 1: Sự tăng đột ngột dòng khoảng hẹp Do chuyển động bề mặt giọt Hg làm tăng cường độ dòng khuếch tán Để loại bỏ cực đại, người ta thêm lượng nhỏ chất hoạt động bề mặt gelatin, aga… + Cực 2: Sự tăng đột ngột dòng khoảng rộng Do dung dịch nghiên cứu ln ln có oxi hồ tan mà O2 môi trường I b a E Các cực đại sóng cực phổ a: Cực b: Cực axit môi trường kiềm bị khử tạo sóng Để tránh sóng nhiễu O2 cần loại bỏ trước ghi sóng cực phổ Muốn người ta cho khí trơ O2 N2, H2, Ar thổi qua dung dịch thời gian Trong mơi trường kiềm thêm tinh thể Na2SO3 tinh khiết vào dung dịch – √ Phân tích phương pháp cực phổ: I Phân tích định tính: + Thế ứng với ½ chiều cao sóng cực phổ đại lượng không đổi, phụ thuộc chất chất nghiên cứu “chất cực phổ” Do dựa vào nửa sóng (ϕ1/2) để nhận biết chất (trong thực tế giá trị đo E1/2 so sánh với điện cực Calomen có φ khơng đổi) E1/2 E Xác định E1/2 sóng cực phổ ln + Có thể tìm E1/2 hình I −I d I hay theo phương trình sóng cực phổ: RT I d − I E = E + ln ) (khi I =1/2 Id1,2 thìnF E=E 1/2 I (Id: cường độ dòng giới hạn ) E1/2 E √ Phân tích định lượng: + Quan hệ Id CM (nồng độ ion kim loại) biểu diễn phương trình Inkovitch: Id = 605.n.D 1/2 2/3 1/6 m t CM Trong đó: o o o o + + n: số e tham gia phản ứng khử điện cực -1 D: hệ số khuếch tán, cm s -1 m: khối lượng Hg chảy từ mao quản giây (mg.s ) t: thời gian tạo giọt Hg (s), CM: nồng độ ion kim loại (mmol/l) Nếu trì D, m, t khơng đổi phương trình có dạng thu gọn: Id = K.CM Dựa vào hệ thức xác định nồng độ CM theo đường chuẩn Id – CM, theo phương pháp thêm chuẩn II.2.2.6 Phương pháp sắc ký – Nguyên tắc: + Phương pháp sắc ký phương pháp tách chất dựa vào phân bố chúng hai pha động tĩnh tiếp xúc với không trộn lẫn Trong hệ thống sắc ký pha tĩnh không di chuyển, pha động di chuyển qua sắc ký Các thành phần có mẫu phân tích tiếp xúc với hai pha tĩnh động tương tác với hai pha phân bố hai pha Sự tương tác lặp lặp lại thành phần di chuyển theo pha động Thành phần tương tác mạnh (phân bố nhiều) với pha tĩnh di chuyển chậm, ngược lại thành phần tương tác yếu với pha tĩnh (phân bố vào pha tĩnh ít) di chuyển nhanh Kết thành phần có mẫu tách thành dải pha động + Có nhiều nguyên nhân khác dẫn đến phân bố hai pha khả hòa tan thành phần hai pha, khả hấp phụ, trao đổi ion, kích thước phân tử, lặp lặp lại tượng hấp phụ phản hấp phụ chất dòng pha động chuyển động qua pha tĩnh nguyên nhân chủ yếu việc tách sắc ký + Pha động lưu thể (các chất trạng thái khí lỏng), pha tĩnh chất trạng thái lỏng giữ chất mang rắn rắn - Phân loại phương pháp sắc ký : * Tùy theo dạng pha tĩnh pha động chế phân bố người ta chia phương pháp sắc ký thành số nhóm sau:   Sắc ký lỏng: Sắc ký lỏng - lỏng; Sắc ký lỏng - rắn Sắc khý khí: Sắc ký khí - lỏng; Sắc ký khí - rắn * Theo tượng sắc ký: gồm có: sắc ký hấp phụ, sắc ký phân bố, sắc ký trao đổi ion, sắc ký theo loại cỡ - Đặc trưng chất tan: Tốc độ di chuyển chất đặc trưng hệ số phân bố D hai pha đại lượng lưu giữ chất pha tĩnh (thời gian lưu, thể tích lưu) + Hệ số phân bố: Hệ số phân bố D xác định lực chất tan hai pha Trong sắc ký D tỷ số nồng độ tổng chất tan pha tĩnh CS pha động CM: D= CS/CM D lớn chất phân bố nhiều pha tĩnh di chuyển chậm + o Thể tích lưu thời gian lưu: Thời gian lưu tr (retention time) thời gian từ nạp chất tan vào cột sắc ký đến xuất nồng độ cực đại detector o Thể tích lưu tương ứng VR (retention volume) tỷ lệ với tR VR = tR x Fc (trong Fc lưu tốc, ml/phút) o Gọi tM thời gian qua cột sắc ký chất tan khơng bị lưu, thời gian lưu pha động (coi thời gian chết) VM gọi “thể tích chết” thể tích pha động qua cột Người ta dùng tham số khác tỷ số phân bố K, tỷ số số mol chất tan pha tĩnh pha động: K= (Cs.Vs)/(Cm.Vm) = D.(Vs/Vm) Trong phương pháp sắc ký người ta thường phải chọn điều kiện để điều chỉnh cho K nhỏ khoảng 20, không thời gian lưu dài không chấp nhận tR N?ng đ? o Nồng độ Sắc đồ chất tM Thời điểm nạp mẫu Thời gian lưu, phút - Sắc ký khí (GC):  Nguyên tắc: + GC dựa nguyên tắc sau: hỗn hợp chất bay khí mang (pha động) vận chuyển qua cột chứa chất hấp phụ rắn thông thường qua pha lỏng hấp phụ lên chất rắn (pha tĩnh), thành phần phân bố khí mang chất rắn chất lỏng + Tùy theo thời gian lưu, thành phần thoát khỏi cột sắc ký thời gian khác xác định detector thích hợp, xác định định tính định lượng + Ưu điểm : • • • • Khả phân tách cao, hỗn hợp phức tạp; Độ nhạy, độ xác độ tin cậy cao; Thời gian phân tích ngắn, Có thể phân tích hàng loạt √ Thiết bị GC: Bộ cung cấp khí mang; Bộ đo lưu lượng; Cột sắc ký; Detector; Bộ xử lý tín hiệu Bộ điều chỉnh áp suất; Bộ nạp mẫu; Buồng ổn nhiệt; Bộ khuếch đại điện tử; + Cột sắc ký: Có hai cột: cột nhồi cột hở hay cột mao quản o Cột nhồi: Thường chế tạo dạng ống thép khơng gỉ, thủy tinh Đường kính 1,6 – 9,5 mm, chiều dài khoảng 3m Trong sắc ký khí – rắn vật liệu nhồi cột thường Silicagel, polime xốp sàng phân tử Zeolit Trong sắc ký khí – lỏng chất nhồi cột đóng vai trị chất mang pha lỏng (pha tĩnh), chất lỏng chất không bay tẩm lên chất mang thành lớp mỏng Chất lỏng thường dùng dầu Silicol, polietilen glycol… Chất mang thường đất Diatomit, gạch chịu lửa nghiền o Cột mao quản: Thường dùng cột mao quản hở, thành cột có lớp chất lỏng mỏng, đều, đường kính cột nhỏ 1mm, chiều dài từ 30 – 90 mm Cột thường chế tạo từ kim loại, thủy tinh chất dẻo + Khí mang: Trong GC, khí mang khí dùng để vận chuyển chất khí nghiên cứu qua cột sắc ký, pha động Khí mang phải khí trơ, khơng tương tác với mẫu, với pha tĩnh, với phận tiếp xúc, phải có độ tinh khiết cao (ít 99,995%), phải chọn cho phù hợp với Detector yêu cầu khác phân tích Ngồi phải chọn khí mang có giá thành rẻ an tồn, tùy trường hợp dùng N 2, H2, He, Ar, O2 không khí + Detector: Ghi tín hiệu thu từ q trình sắc ký, phân tích tín hiệu biết chất cần phân tích, tách Trong GC người ta sử dụng Detector dẫn nhiệt, Detector ion hóa lửa, Detector hấp thụ electron * Detector ion hóa lửa (FID: Flame Ionization Detetor): Dựa vào thay đổi độ dẫn điện lửa H2 đặt điện trường có chất hữu cần tách chuyển qua Trong lửa riêng H2 khơng khí, độ dẫn điện thấp nên dịng điện đo bé Khi có chất có khả ion hóa mạnh từ cột sắc ký vào lửa, bị đốt nóng, bị ion hóa, dịng điện tăng mạnh Detector có độ nhậy cao gấp hàng trăm đến hàng nghìn lần so với TCD phản hồi với hầu hết chất hữu trừ axit fomic, andehitfomic Có thể đo dịng điện đến 10 -12 A, phát đến 10 -9 gam * Detector cộng kết điện tử (ECD: Electron Capture Detector): Dựa vào lực khác chất electron tự do, đặc biệt thích hợp hợp chất Clo hóa, Alkyl chì… xác định số thuốc trừ sâu clo hóa đến mức picogam (10-12 gam) Độ nhạy cao  Phân tích GC: + Phân tích định tính:Từ sắc ký đồ ta nhận tín hiệu ứng với cấu tử gọi pic sắc ký Thời gian lưu hay thể tích lưu pic đặc trưng định tính cho chất cần tách So sánh thời gian lưu (thể tích lưu) mẫu thử với mẫu chuẩn ghi điều kiện + Phân tích định lượng: Tín hiệu thu Detector tỷ lệ với nồng độ hàm lượng cấu tử Tín hiệu thường chiều cao pic, diện tích pic Để đạt hiệu phân tích đúng, điều cần thiết phải tách cấu tử cần nghiên cứu cách hồn chỉnh, khơng có xen phủ pic với pic khác Ứng dụng phương pháp sắc ký: Phân tích sắc ký ứng dụng để tách phân li, phân tích nhiều hợp chất khác nhau, vô hữu cơ, đặc biệt phân tích hợp chất hữu Phương pháp tách phân tích nhiều hỗn hợp phức tạp ... về: - Chỉ thị môi trường Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng mơi trường Phương pháp xử lý phân tích thông số chất lượng môi trường Đảm bảo chất lượng kiểm sốt chất lượng phân tích mơi trường Nội dung... thông số môi trờng để đặc trng môi trờng Ch th mụi trường sở để lượng hóa chất lượng mơi trường, theo dõi diễn biến chất lượng môi trường, lập báo cáo trạng môi trường Bộ Tài nguyên Môi trường. .. Hóa học Phân tích Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2002 •Trang web:http://www.nea.gov.vn Chương I: Chỉ thị môi trường tiêu chuẩn đánh giá chất lượng môi trường I.1 Khái niệm thị môi trường