Nghiên cứu sử dụng vỏ trấu biến tính làm pha tĩnh cho kỹ thuật chiết pha rắn và ứng dụng trong tách làm giàu xác định lượng vết một số ion kim loại

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐẶNG NGỌC ĐỊNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG VỎ TRẤU BIẾN TÍNH LÀM PHA TĨNH CHO KỸ THUẬT CHIẾT PHA RẮN VÀ ỨNG DỤNG TRONG TÁCH, LÀM GIÀU, XÁC ĐỊNH LƯỢNG VẾT MỘT SỐ ION KIM LOẠI LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC HÀ NỘI - 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐẶNG NGỌC ĐỊNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG VỎ TRẤU BIẾN TÍNH LÀM PHA TĨNH CHO KỸ THUẬT CHIẾT PHA RẮN VÀ ỨNG DỤNG TRONG TÁCH, LÀM GIÀU, XÁC ĐỊNH LƯỢNG VẾT MỘT SỐ ION KIM LOẠI Chun ngành: Hóa phân tích Mã số: 62440118 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN XUÂN TRUNG PGS.TS PHẠM THỊ NGỌC MAI XÁC NHẬN NCS ĐÃ CHỈNH SỬA THEO QUYẾT NGHỊ CỦA HỘI ĐỒNG ĐÁNH GIÁ LUẬN ÁN Người hướng dẫn khoa học Chủ tịch hội đồng đánh giá Luận án Tiến sĩ PGS.TS Nguyễn Xuân Trung PGS.TS Trần Chương Huyến HÀ NỘI - 2016 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan danh dự cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Nghiên cứu sinh Đặng Ngọc Định LỜI CẢM ƠN Luận án hồn thành Bộ mơn Hóa phân tích - Khoa Hóa học Trường Đại học Khoa học Tự nhiện - Đại học Quốc gia Hà Nội Với lịng biết ơn sâu sắc, tơi xin cảm ơn PGS.TS Nguyễn Xuân Trung PGS.TS Phạm Thị Ngọc Mai người tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tơi suốt q trình học tập, nghiên cứu để hồn thiện luận án Tôi xin cảm ơn PGS.TS Tạ Thị Thảo giúp đỡ tạo điều kiện cho q trình nghiên cứu Tơi xin chân thành cảm ơn Q Thầy, Cơ Bộ mơn Hoa phân tích; Khoa Hóa học - Trường Đại học Khoa học Tự nhiện - Đại học Quốc gia Hà Nội tạo điều kiện để tơi hồn thành luận án Tơi xin cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Công nghiệp Việt Trì, ban chủ nhiệm Khoa kỹ thuật phân tích quan tâm, tạo điều kiện để tơi hồn thành nhiệm vụ học tập nghiên cứu, xin cảm ơn đồng nghiệp, bạn bè động viên, khích lệ ủng hộ tơi q trình hồn thành luận án Xin cảm ơn anh, chị, bạn, em nghiện cứu phịng thí nghiệm động viên tơi suốt thời gian nghiên cứu Để hồn thành luận án, dành lời cảm ơn tới người thân gia đình hết lịng tơi suốt trình học tập thực luận án Hà Nội, tháng năm 2016 Đặng Ngọc Định DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT VIẾT TẮT AAS TIẾNG ANH TIẾNG VIỆT Quang phổ hấp thụ nguyên tử Atomic Absorption Spectrometry BET Brunaure - Emmett-Teler Phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng vật liệu CRM Certified reference materials Mẫu chuẩn F-AAS Flame Atomic Absorption Quang phổ hấp thụ nguyên tử Spectrometry kỹ thuật lửa Inductevely Coupet Plasma- Phương pháp khối phổ Atomic Emission Spectrometry plasma cảm ứng IR Infrared (IR) spectroscopy Phổ hồng ngoại LOD Limit of detection Giới hạn phát LOQ Limit of quantitation Giới hạn định lượng SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét SPE Solid Phase Extraction Chiết pha rắn ICP - MS VIẾT TẮT TÊN ĐẦY ĐỦ APDC Amonium pyrrolidine dithiocarbamate DDTC Diethyldithiocarbamate DDTP O,O- Diethyl-dithiophosphate DDQ 7-dodecenyl-8-quinolinol DMBS Demethyl glyoxal-bis (4-phenyl)-3-thiosemicarbazon DMG Dimetylglyoxim DPC 1,5-Diphenylcacbazit DTZ Dithizon DPTH 1,5-bis-(di-2-pyridyl)-methylene dithiocarbohydrazide EDTA Ethylen diamin tetra acetic axit HMDC Hexamethylen dithio carbamat EDTAD Ethylen diamin tetra acetic dianhidrit i MPSP 3-Methyl-1-phenyl-4-stearoy-5-pỷazolone PAN 1-( 2-Pyridylazo)-2-naphthol PUE Polyne polyurethan SDS Sodium dodecyl sulfate TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam RH Vỏ trấu tự nhiên RHA Vỏ trấu sau thủy phân RH H2SO4 RHA-DTZ Vật liệu sau biến tính RHA DTZ RHA-PAN Vật liệu sau biến tính RHA PAN RHA-DPC Vật liệu sau biến tính RHA DPC RHA-DMG Vật liệu sau biến tính RHA DMG RHK Vỏ trấu sau thủy phân RH NaOH RHK-EDTAD Vật liệu sau biến tính RHK EDTAD ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan kim loại 1.1.1 Trạng thái tự nhiên nguồn phát tán kim loại nặng 1.1.2 Độc tố kim loại nặng 1.2 Các phương pháp xác định lượng vết kim loại nặng 1.2.1 Các phương pháp phân tích điện hóa 1.2.2 Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử (UV-VIS) 1.2.3 Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) 1.2.4 Phương pháp phổ khối plasma cao tần cảm ứng (ICP-MS) 1.3 Các phương pháp tách làm giàu lượng vết ion kim loại 1.3.1 Phương pháp cộng kết 1.3.2 Phương pháp chiết lỏng - lỏng 12 1.3.3 Phương pháp chiết pha rắn 13 1.3.3.1 Khái niệm chiết pha rắn (SPE) 13 1.3.3.2 Cơ chế lưu giữ chất tan pha tĩnh [3] 14 1.3.3.3 Các bước kĩ thuật thực chiết pha rắn 15 1.3.3.4 Ứng dụng kỹ thuật chiết pha rắn tách, làm giàu lượng vết ion kim loại 16 1.3.3.5 Các chất hấp phụ ứng dụng kỹ thuật chiết pha rắn 16 1.3.4 Chất hấp phụ tự nhiên 30 Chương 2: THỰC NGHIỆM 33 2.1 Mục tiêu, nội dung đối tượng nghiên cứu 33 2.1.1 Mục tiêu, nội dung nghiên cứu 33 2.1.2 Đối tượng nghiên cứu 34 2.2 Phương pháp nghiên cứu 34 2.2.1 Phương pháp nghiên cứu cấu trúc 34 2.2.2 Các phương pháp nghiên cứu khả hấp phụ 34 2.2.3 Phương pháp nghiên cứu xác định hàm lượng 34 2.2.4 Tính tốn đại lượng 35 iii 2.3 Hóa chất, thiết bị dụng cụ thí nghiệm 37 2.3.1 Hóa chất 37 2.3.2 Thiết bị 37 2.3.3 Dụng cụ 38 2.4 Điều chế vật liệu 38 2.4.1 Thủy phân vỏ trấu dung dịch acid H2SO4 biến tính thuốc thử hữu 38 2.4.2 Thủy phân vỏ trấu dung dịch kiềm NaOH biến tính EDTA 39 2.5 Phương pháp nghiên cứu khả hấp phụ ion kim loại vật liệu 40 2.5.1 Nghiên cứu trình hấp phụ phương pháp tĩnh 40 2.5.2 Nghiên cứu khả hấp phụ ion kim loại theo phương pháp động 41 2.6 Ứng dụng phương pháp phân tích mẫu thực tế 41 2.6.1 Vị trí lấy mẫu 41 2.6.2 Cách lấy mẫu 42 2.6.3 Chuẩn bị mẫu phân tích 43 2.6.4 Ứng dụng phân tích mẫu thực 43 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 44 3.1 Nghiên cứu xây dựng quy trình biến tính vỏ trấu 44 3.1.1 Ảnh hưởng nồng độ chất hoạt động bề mặt SDS đến khả gắn thuốc thử hữu lên bề mặt vỏ trấu, sau thủy phân H2SO4 44 3.1.2 Ảnh hưởng pH 46 3.1.3 Ảnh hưởng thời gian thiết lập cân 47 3.1.4 Ảnh hưởng nồng độ thuốc thử hữu (DTZ, PAN, DPC, DMG) 48 3.1.5 Biến tính vỏ trấu (RHK) EDTAD 49 3.2 Xác định số đặc trưng cấu trúc vật liệu 50 3.2.1 Xác định thành phần, nhóm chức vật liệu phổ hồng ngoại phân tích nhiệt khối lượng 50 3.2.2 Xác định hình thái bề mặt 56 3.2.3 Xác định diện tích bề mặt vật liệu 59 3.3 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ ion kim loại phương pháp tĩnh 60 3.3.1 Ảnh hưởng pH 60 3.3.2 Ảnh hưởng thời gian thiết lập cân hấp phụ 60 3.3.3 Ảnh hưởng lượng chất hấp phụ 60 3.3.4 Ảnh hưởng nồng độ ban đầu chất bị hấp phụ 60 3.4 Nghiên cứu khả hấp phụ Co2+, Ni2+, Cr3+, Cr(VI) vật liệu RHA RHA-DPC, RHA-DMG 71 iv 3.5 Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến khả hấp phụ theo phương pháp động 76 3.5.1 Kiểm tra độ bền vật liệu trước sử dụng làm vật liệu hấp phụ 76 3.5.2 Ảnh hưởng tốc độ nạp mẫu 78 3.5.3 Ảnh hưởng thể tích mẫu 79 3.5.4 Ảnh hưởng lượng chất hấp phụ 81 3.5.5 Ảnh hưởng nồng độ ban đầu chất bị hấp phụ 82 3.5.6 Ảnh hưởng chất dung dịch rửa giải 83 3.5.7 Ảnh hưởng nồng độ chất rửa giải 85 3.5.8 Ảnh hưởng tốc độ rửa giải 86 3.5.9 Ảnh hưởng thể tích dung dịch rửa giải 87 3.5.10 Ảnh hưởng ion lạ 89 3.6 Đánh giá phương pháp phân tích 91 3.6.1 Xác định độ thu hồi độ biến thiên 91 3.6.2 Đánh giá độ chụm, độ lệch chuẩn phương pháp phân tích 92 3.6.3 Xác định giới hạn phát (LOD) giới hạn định lượng (LOQ) 92 3.6.4 Xác định khả tái sử dụng vật liệu 94 3.7 Kết nghiên cứu hấp phụ động vật liệu RHA-DPC, RHA-DMG 95 3.8 Xây dựng qui trình ứng dụng phân tích mẫu 97 3.8.1 Xây dựng qui trình phân tích 97 3.8.2 Ứng dụng phân tích đối tượng mẫu 99 3.8.2.1 Phân tích mẫu giả 99 3.8.2.2 Phân tích mẫu CRMs (Certified reference materials ) 100 3.8.2.3 Kết phân tích mẫu thực 102 KẾT LUẬN 107 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO 109 PHỤ LỤC v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TÊN BẢNG STT TRANG Bảng 1.1 Một số kết tủa hydroxid kim loại sử dụng làm chất cộng kết lượng vết ion kim loại 10 Bảng 1.2 Một số hợp chất hữu thường sử dụng để cộng kết lượng vết ion kim loại 10 Bảng 1.3 Ứng dụng kỹ thuật chiết pha rắn tách, làm giàu lượng vết ion kim loại 17 Bảng 1.4 Ứng dụng pha tĩnh chất vô tách làm giàu lượng vết ion kim loại 22 Bảng 1.5 Ứng dụng số chất hữu tách làm giàu lượng vết ion kim loại 26 Bảng 3.1 Ảnh hưởng chất hoạt động bề mặt đến khả hấp phụ thuốc thử hữu 45 Bảng 3.2 Ảnh hưởng nồng độ SDS đến khả hấp phụ chất hữu lên HRA 45 Bảng 3.3 Ảnh hưởng pH đến khả hấp phụ thuốc thử hữu 46 Bảng 3.4 Ảnh hưởng thời gian thiết lập cân hấp phụ thuốc thử hữu 47 10 Bảng 3.5 Ảnh hưởng nồng độ thuốc thử đến khả hấp phụ vật liệu 48 11 Bảng 3.6 Diện tích bề mặt vật liệu 59 12 Bảng 3.7 Phương trình đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Freundlich 69 13 Bảng 3.8 Các giá trị dung lượng hấp phụ cực đại (qmax), số, hệ số thực nghiệm theo phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Freundlich 70 14 Bảng 3.9 Kết khảo sát điều kiện tĩnh 72 15 Bảng 3.10 Phương trình đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir Freundlich 72 16 Bảng 3.11 Dung lượng, số, hệ số thực nghiệm theo phương trình đẳng nhiệt Langmuir Freundlich 73 vi ... NGỌC ĐỊNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG VỎ TRẤU BIẾN TÍNH LÀM PHA TĨNH CHO KỸ THUẬT CHIẾT PHA RẮN VÀ ỨNG DỤNG TRONG TÁCH, LÀM GIÀU, XÁC ĐỊNH LƯỢNG VẾT MỘT SỐ ION KIM LOẠI Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã số: ... thuật chiết pha rắn tách, làm giàu lượng vết ion kim loại 17 Bảng 1.4 Ứng dụng pha tĩnh chất vô tách làm giàu lượng vết ion kim loại 22 Bảng 1.5 Ứng dụng số chất hữu tách làm giàu lượng vết ion kim. .. thuật chiết pha rắn ứng dụng tách, làm giàu, xác định lượng vết số ion kim loại? ?? * Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu luận án nghiên cứu phát triển phương pháp phân tích lượng vết số ion kim loại nặng