2.2.1. Pha chế hóa chất
- Các dung dịch làm việc của các ion kim loại (Pb2+, Cd2+, In3+, Cu2+, Zn2+, Fe3+, Ga3+,…) đƣợc pha từ dung dịch chuẩn gốc có nồng độ 1000ppm sử dụng cho AAS của Merck (Đức).
- Pha dung dịch nền đệm axetat 0,1M, pH = 4,5 từ CH3COOH 0,1M và NaOH 0,1M. - Pha chế các dung dịch KBr 0,1M; NaOH 0,1M, NaNO3 0,1M, KCl 0,1M, … từ các hóa chất tinh thể tƣơng ứng.
- Pha dung dịch HCl 0,1M, HNO3 0,1M từ các axit đặc tƣơng ứng.
- Nƣớc cất dùng để pha chế hóa chất và rửa dụng cụ là nƣớc cất hai lần, siêu sạch.
2.2.2. Các bƣớc nghiên cứu để xây dựng quy trình phân tích bằng phƣơng pháp Von-Ampe hòa tan pháp Von-Ampe hòa tan
Trong luận án này, chúng tôi nghiên cứu chế tạo điện cực paste ống nano cacbon biến tính bằng Bi2O3 (Bi2O3-CNTPE) để làm điện cực làm việc sử dụng cho thiết bị phân tích cực phổ, sau đó sử dụng hệ thống thiết bị cực phổ chứa điện cực làm việc chế tạo đƣợc để nghiên cứu phân tích lƣợng vết Cd, In, Pb trong mẫu phân tích. Các nội dung nghiên cứu thực nghiệm cụ thể bao gồm:
- Nghiên cứu kích cỡ điện cực ảnh hƣởng đến tín hiệu Von- Ampe hòa tan của chất phân tích.
- Nghiên cứu hình ảnh bề mặt của điện cực chế tạo đƣợc bằng phƣơng pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM).
- Nghiên cứu độ bền của điện cực.
* Nghiên cứu đặc tính điện hóa của điện cực làm việc:
- Nghiên cứu khoảng thế làm việc của nền điện ly.
- Nghiên cứu đƣờng Von-Ampe vòng của Cd2+, In3+, Pb2+ trên điện cực Bi2O3- CNTPE.
- Nghiên cứu bản chất sự xuất hiện pic Von- Ampe hòa tan của Cd2+, In3+, Pb2+ trên điện cực Bi2O3-CNTPE.
* Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến tín hiệu Von – Ampe hòa tan của Cd, In và Pb:
- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến tín hiệu Von-Ampe hòa tan của Cd, In, Pb nhƣ: thành phần nền, pH, thế điện phân, thời gian điện phân, thời gian sục khí N2
đuổi oxi, tốc độ quay điện cực, biên độ xung, tốc độ quét thế, ảnh hƣởng và cách loại trừ ảnh hƣởng của các chất đi kèm,…
- Đánh giá độ lặp lại, độ chính xác, độ nhạy và khoảng tuyến tính. - Xây dựng đƣờng chuẩn.
* Phân tích mẫu thực và xây dựng quy trình phân tích:
- Kiểm soát chất lƣợng quy trình phân tích qua phân tích mẫu chuẩn (mẫu vật liệu so sánh đƣợc cấp chứng chỉ - kí hiệu là mẫu CRM) và phân tích đối chứng theo phƣơng pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử lò graphit (GF-AAS).
- Áp dụng phƣơng pháp DP-ASV sử dụng điện cực Bi2O3-CNTPE để phân tích vết Cd, In và Pb trong một số mẫu thực (nƣớc sông, nƣớc hồ, nƣớc biển, nƣớc thải khu công nghiệp).
2.3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.3.1. Phƣơng pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM)
Kính hiển vi điện tử quét (SEM) là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử (chùm các electron) hẹp quét trên bề mặt mẫu. Việc tạo ảnh của mẫu vật đƣợc thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tƣơng tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật [116].
Điện cực làm việc là điện cực paste ống nano cacbon biến tính bằng Bi2O3
(Bi2O3-CNTPE). Hình ảnh bề mặt điện cực đƣợc chụp bằng phƣơng pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) trên máy chụp ảnh hiển vi điện tử quét Field Emission Scanning Electron Microscope, S-4800, Hitachi trong các trƣờng hợp:
- Trƣờng hợp 1: Ống nanocacbon.
- Trƣờng hợp 2: Bề mặt điện cực Bi2O3-CNTPE.
- Trƣờng hợp 3: Bề mặt điện cực Bi2O3-CNTPE đã đƣợc tạo màng bitmut. - Trƣờng hợp 4: Bề mặt điện cực Bi2O3-CNTPE đã đƣợc tạo màng Pb-Bi.
2.3.2. Phƣơng pháp Von – Ampe hòa tan anot xung vi phân
Để ghi đo tín hiệu phân tích nghiên cứu ảnh hƣởng của tỉ lệ các vật liệu chế tạo điện cực, ảnh hƣởng của kích thƣớc bề mặt điện cực, độ bền của điện cực, ảnh hƣởng của các yếu tố, đánh giá độ lặp lại, độ chính xác, độ nhạy, khoảng tuyến tính, phân tích mẫu thực,…chúng tôi sử dụng phƣơng pháp Von-Ampe hòa tan anot xung vi phân.
Tiến trình nghiên cứu phân tích theo phƣơng pháp Von-Ampe hòa tan anot xung vi phân sử dụng điện cực Bi2O3-CNTPE nhƣ sau: Lấy V ml dung dịch nghiên cứu chứa Cd2+, In3+, Pb2+, đệm axetat 0,1M (pH = 4,5) và KBr 0,1M vào bình điện phân của thiết bị phân tích. Nhúng hệ điện cực vào dung dịch, điện phân làm giàu ở
quay điện cực 20s, sau đó quét thế theo chiều dƣơng từ -1,0V đến -0,3V. Ghi đo phổ đồ Von – Ampe hòa tan xung vi phân của Cd, In và Pb, tốc độ quét thế 15mV/s, biên độ xung 30mV, bề rộng xung 0,4s, bƣớc nhảy thế 6mV.
Trƣớc khi tiến hành nghiên cứu ghi đo dung dịch pha chuẩn, luôn tiến hành ghi đo đƣờng nền là đƣờng Von-Ampe hòa tan của mẫu trắng có thành phần tƣơng tự nhƣ dung dịch nghiên cứu, nhƣng không chứa các kim loại nghiên cứu - ở các điều kiện tƣơng tự nhƣ mẫu chứa chất chuẩn, sau đó loại trừ sai số do nền.
Khi phân tích mẫu thực, để loại trừ ảnh hƣởng của nền, chúng tôi tiến hành xác định hàm lƣợng Pb, In, Cd trong các dung dịch mẫu phân tích theo phƣơng pháp thêm chuẩn.
2.3.3. Phƣơng pháp phân tích đối chứng
Độ chính xác, độ đúng và tin cậy của của phƣơng pháp đã đƣợc kiểm soát theo phƣơng pháp phân tích mẫu chuẩn đối chứng (mẫu trầm tích biển do Viện nghiên cứu môi trƣờng Quốc gia Canada cung cấp (MESS-2)) và theo phƣơng pháp phân tích so sánh với phƣơng pháp chuẩn khác (phƣơng pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử lò graphit (GF-AAS)). Đánh giá các kết quả thu đƣợc theo phƣơng pháp thống kê xử lý số liệu thực nghiệm.
2.3.4. Phƣơng pháp thống kê xử lý số liệu thực nghiệm
Các số liệu thực nghiệm đƣợc xử lý theo phƣơng pháp thống kê toán học. - Xác định độ lặp lại dựa trên giá trị độ lệch chuẩn:
Trong đó: + Phƣơng sai của mẫu:
+ Giá trị trung bình:
- Xác định giới hạn phát hiện (LOD), giới hạn định lƣợng theo 1.5.4.
- Xử lý các số liệu thực nghiệm và xây dựng đƣờng chuẩn theo phần mềm Microsoft Excel.
- Xử lý số liệu, tính toán kết quả hàm lƣợng Cd, In và Pb trong phân tích mẫu theo phần mềm cài sẵn trong thiết bị cực phổ đa chức năng 797 VA Computrace.
Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC LÀM VIỆC (Bi2O3-CNTPE) 3.1.1. Quy trình chế tạo điện cực
Vỏ điện cực có chiều dài 52 mm, đƣờng kính ngoài 8 mm, một đầu ống có thể kết nối với thiết bị cực phổ, một đầu ống để nhồi hỗn hợp vật liệu điện cực (hình 3.1). Điện cực có 2 phần: phần trên làm bằng nhựa chịu nhiệt để lắp cố định vào thiết bị cực phổ và phần dƣới làm bằng teflon để nhồi hỗn hợp vật liệu. Phần dƣới có thể tháo rời khỏi phần trên, 2 phần đƣợc ghép nối chặt khít với nhau bằng ốc vít phía bên trong điện cực.
Cân chính xác 0,5 g ống nanocacbon cho vào chén sứ, nung trong lò nung ở 3000C trong 40 phút để đuổi hết oxi [5]. Để nguội, cân chính xác hỗn hợp vật liệu điện cực gồm ống nanocacbon (CNT) sau khi nung, chất kết dính (dầu parafin), Bi2O3 theo tỉ lệ thích hợp, các vật liệu điện cực trƣớc khi nhồi vào điện cực cần đƣợc trộn đều [42] nên hỗn hợp vật liệu đƣợc chuyển vào cối mã não, dùng chày mã não trộn đều ba chất với nhau. Hỗn hợp vật liệu thu đƣợc đem sấy ở 1050C trong 2 giờ đƣợc hỗn hợp vật liệu hơi nhão.
Hình 3.1. Hình ảnh điện cực
Bi2O3-CNTPE
Nung ống nanocbon trong lò nung ở 3000C
Nhồi hỗn hợp vào ống teflon Sấy hỗn hợp ở 1050C trong 2 h
Mài bóng bề mặt điện cực bằng giấy lọc ẩm, lắp vào thiết bị cực phổ
Trộn đều ống nanocacbon, dầu parafin và Bi2O3 trong cối chày mã não.
Dùng chốt inoc nhồi hỗn hợp nhão thu đƣợc vào ống teflon đã chuẩn bị ở trên. Lắp điện cực chế tạo đƣợc vào bộ phận điện cực làm việc của thiết bị cực phổ. Sau mỗi buổi thí nghiệm, điện cực đƣợc lấy ra, tia rửa sạch bằng nƣớc cất, sấy nhẹ cho khô rồi bảo quản nơi khô ráo, tránh bụi bẩn. Hình 3.2 trình bày tóm tắt quy trình chế tạo điện cực.
3.1.2. Nghiên cứu cấu trúc bề mặt điện cực
Chúng tôi tiến hành chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) trên thiết bị Field Emission Scanning Electron Microscope, S-4800, Hitachi để quan sát hình ảnh bề mặt của vật liệu trong các trƣờng hợp:
- Trƣờng hợp 1 (hình 3.3a) : Ống nanocacbon
- Trƣờng hợp 2 (hình 3.3b): Bề mặt điện cực Bi2O3-CNTPE
- Trƣờng hợp 3 (hình 3.3c): Bề mặt điện cực Bi2O3-CNTPE đã đƣợc tạo màng bitmut bằng cách điện phân dung dịch đệm axetat ở thế điện phân -1,2V trong thời gian 60s. Sau đó tháo điện cực ra, rửa sạch bằng nƣớc cất hai lần, thấm khô bằng giấy lọc rồi dùng chốt inoc đẩy hỗn hợp điện cực ra khỏi ống teflon, dùng dao inoc cắt một lớp mỏng bề mặt điện cực có chứa màng bitmut dán lên tấm băng dính kim loại, đem đi chụp ảnh SEM.
- Trƣờng hợp 4 (hình 3.3d): Bề mặt điện cực Bi2O3-CNTPE đã đƣợc tạo màng Pb-Bi bằng cách điện phân dung dịch đệm axetat chứa [Pb2+] = 40ppb ở thế điện phân -1,2V trong thời gian 60s. Sau đó tháo điện cực ra, rửa sạch bằng nƣớc cất hai lần, thấm khô bằng giấy lọc rồi dùng chốt inoc đẩy hỗn hợp điện cực ra khỏi ống teflon, dùng dao inoc cắt một lớp mỏng bề mặt điện cực có chứa màng Pb-Bi dán lên tấm băng dính kim loại, sau đó đem đi chụp ảnh SEM.
a) Ống nanocacbon b) Bề mặt điện cực Bi2O3-CNTPE c) Bề mặt điện cực Bi2O3-CNTPE đã đƣợc phủ lớp màng Bi d) Bề mặt điện cực Bi2O3-CNTPE đã đƣợc phủ lớp màng Pb/Bi Hình 3.3. Kết quả chụp ảnh SEM
Kết quả chụp SEM cho thấy, ống nanocacbon ban đầu có kích thƣớc rất nhỏ (từ vài chục đến vài trăm nm) (hình 3.3a) nhƣng sau khi tạo thành điện cực Bi2O3- CNTPE hay tạo màng Bi/màng Pb-Bi thì hình ảnh của bề mặt điện cực đã bị thay đổi đáng kể. Hình ảnh bề mặt điện cực Bi2O3-CNTPE (hình 3.3b) cho thấy điện cực có bề mặt tƣơng đối đồng đều tạo thuận lợi cho Bi làm giàu trên bề mặt điện cực. Sau khi tạo lớp màng Bi (hình 3.3c), màng Bi có cấu trúc theo không gian ba chiều với lớp màng có kích thƣớc tƣơng đối đồng đều tạo điều kiện cho Pb bám lên bề mặt điện cực Bi tạo thành gian kim loại với Bi (hình 3.3d).
3.1.3. Nghiên cứu ảnh hƣởng của kích cỡ điện cực đến tín hiệu Von-Ampe hòa tan của Cd, In, Pb tan của Cd, In, Pb
Trong phân tích điện hóa hòa tan, toàn bộ quá trình làm giàu và hòa tan đều xảy ra trên bề mặt của điện cực làm việc nên kích cỡ điện cực ảnh hƣởng lớn đến tín hiệu Von-Ampe hòa tan. Vì vậy chúng tôi tiến hành nghiên cứu ảnh hƣởng của các kích cỡ điện cực khác nhau đến cƣờng độ và độ lặp lại của dòng pic Ip của Cd, In và Pb. Để có đƣợc kích cỡ bề mặt điện cực khác nhau chúng tôi tiến hành thay lần lƣợt đoạn ống teflon làm vỏ điện cực có đƣờng kính trong thay đổi từ 1,8 mm đến 4,0 mm; trong khi vẫn giữ nguyên đoạn nhựa chịu nhiệt trong suốt quá trình nghiên cứu.
Tiến hành ghi đo đƣờng DP-ASV của dung dịch [Cd2+] = 2,68.10-8 M; [In3+] = 6,09.10-8 M; [Pb2+] = 1,45.10-8 M trên điện cực làm việc Bi2O3- CNTPE chế tạo đƣợc trong nền đệm axetat và KBr nồng độ 0,1M, pH = 4,5, thế điện phân làm giàu -1,2V, thời gian điện phân 60 s, quét thế trong khoảng -1,2 V đến -0,3 V với tốc độ 15 mV/s. Kết quả nghiên cứu thu đƣợc thể hiện ở bảng 3.1 và các hình 3.4, 3.5.
Từ các kết quả thu đƣợc cho thấy kích cỡ bề mặt điện cực ảnh hƣởng lớn đến tín hiệu Ip của Cd, In và Pb. Điều này đƣợc giải thích là do Ip tỉ lệ với diện tích bề mặt điện cực mà diện tích bề mặt điện cực lại tỉ lệ với kích cỡ bề mặt điện cực. Tại kích cỡ điện cực 1,8 mm; 2,2 mm và 2,5 mm thì Ip thấp do kích cỡ nhỏ thì khả năng làm giàu và hòa tan của các kim loại nghiên cứu và của Bi trên bề mặt điện cực bị hạn chế. Tại kích cỡ điện cực 3 mm, Ip của cả 3 ion đều cao, pic cân đối, độ lặp lại tốt. Tại kích cỡ điện cực 3,2 mm, 3,5 mm và 4 mm, Ip của Cd và In thấp hơn so với kích cỡ điện cực 3 mm, Ip của Pb tại kích thƣớc 3,2 mm và 4 mm tuy cao hơn nhƣng pic không cân đối, độ lặp lại kém. Điều này rất có thể là do khi kích thƣớc điện cực lớn thì dòng khuếch tán xoáy tăng dẫn đến lƣợng kim loại khi làm giàu chủ yếu đƣợc tập trung ở vòng ngoài điện cực, còn ở tâm điện cực thì ít hơn dẫn tới kim loại đƣợc làm giàu không đồng đều, do đó độ lặp lại kém [71]. Vì vậy, chúng tôi chọn kích cỡ điện cực là 3 mm để chế tạo điện cực.
Bảng 3.1. Ảnh hƣởng của kích cỡ điện cực đến Ip của Cd, In, Pb Kích cỡ (đƣờng kính) (mm) 1,8 2,2 2,5 3,0 3,2 3,5 4,0 Ip (µA) Cd 0,31 0,53 0,78 2,29 0,69 1,27 0,97 In - 0,12 0,23 0,38 0,13 0,20 0,17 Pb 0,77 0,91 1,39 2,28 3,05 1,61 2,59 Hình 3.4. Phổ đồ DP-ASV của Cd, In và Pb ở các kích cỡ bề mặt điện cực khác nhau Hình 3.5. Sự phụ thuộc Ip của Cd, In và Pb vào kích cỡ bề mặt điện cực khác nhau
3.1.4. Nghiên cứu ảnh hƣởng của tỉ lệ trộn vật liệu điện cực
Để khảo sát tỉ lệ khối lƣợng của vật liệu trộn đến tín hiệu Ip của Cd, In và Pb, chúng tôi trộn các tỉ lệ khối lƣợng khác nhau của hỗn hợp ống nanocacbon, dầu parafin, Bi2O3. Theo [5, 51], tỉ lệ vật liệu cacbon và chất kết dính phù hợp là 6:4 (về khối lƣợng). Mặt khác, theo [35], hàm lƣợng Bi2O3 thích hợp để chế tạo điện cực cacbon biến tính bằng Bi2O3 là 0,5 % đến 7 %. Vì vậy chúng tôi tiến hành chế tạo điện cực với hàm lƣợng Bi2O3 từ 0,2 % đến 8 %, sau đó ghi đo dòng Ip của dung dịch gồm [Pb2+] = 1,45.10-8 M; [In3+] = 6,09.10-8 M; [Cd2+] = 2,68.10-8 M trong
Kết quả ghi đo (hình 3.6) cho thấy: Khi thay đổi hàm lƣợng Bi2O3 thì cƣờng độ dòng Ip của cả 3 ion cũng thay đổi. Khi tăng hàm lƣợng Bi2O3 từ 0,2 đến 7 %, Ip
của cả 3 kim loại đều tăng, độ nhạy của phép đo tăng. Điều này đƣợc giải thích là do độ dày mỏng của màng bitmut phụ thuộc vào hàm lƣợng Bi2O3 có trong hỗn hợp