Việc xác định định lượng theo AAS dựa trên phương trình của định luật Bouguer-Lambert-Beer: I I C l Aλ =ελ.. =lg 0 Trong đó: A là độ hấp thụ.
I0, I là cường độ bức xạ trước và sau khi bị các nguyên tử hấp thụ tại bước sóng λ. εlà hệ số hấp thu nguyên tử tùy thuộc vào từng nguyên tố tại bước sóng λ. l là độ dày lớp hơi nguyên tử.
N là nồng độ nguyên tử chất phân tích trong lớp hơi.
Việc xác định định lượng được thực hiện theo các phương pháp sau: - Phương pháp đồ thị chuẩn (đường chuẩn).
32 - Phương pháp thêm tiêu chuẩn.
- Phương pháp đồ thị không đổi. - Phương pháp dùng một mẫu chuẩn. Các kiểu phương pháp phân tích theo AAS.
- Phương pháp phân tích trực tiếp cho chất có phổ hấp thụ nguyên tử. - Các phương pháp phân tích gián tiếp cho chất không có phổ AAS.
33
CHƯƠNG 2
NỘI DUNG VÀ THỰC NGHIỆM 2.1. THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ
- Dụng cụ thủy tinh: pipet; đũa thủy tinh; các ống nghiệm thủy tinh chịu nhiệt 30 ml có nắp xoáy; cốc thủy tinh chịu nhiệt, thể tích 100ml, 250 ml, 1.000ml; bình định mức thủy tinh, thể tích 25ml, 50ml,100 ml, 1.000ml.
- Máy đo pH cầm tay HANNA instruments Hi 9023 microcomputer.
- Thiết bị quang phổ hấp thụ nguyên tử Analyst 400 của hãng Perkin Elmer với kỹ thuật ngọn lửa; các pipette Eppendorf và đầu hút.
- Các dụng cụ lấy mẫu nước giếng: gáo nhựa, chai nhựa sạch có nút vặn kín.
2.2. HÓA CHẤT
- Các hóa chất sử dụng có độ tinh khiết PA của Merck chuyên dùng cho AAS: dung dịch chuẩn sắt (1.000 ± 2 ppm) Fe, dung dịch chuẩn mangan (1.000±2ppm) Mn, dung dịch axít HNO3 đặc, nước cất.
- Các mẫu nước giếng (thuộc khu vực xã Lộc Ninh, TP. Đồng Hới, tỉnh Quảng Bình).
2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.3.1. Phạm vi nghiên cứu 2.3.1. Phạm vi nghiên cứu
- Phạm vi nghiên cứu: Một số giếng nước sinh hoạt thuộc khu vực xã Lộc Ninh – TP.Đồng Hới - Quảng Bình.
- Thời gian nghiên cứu: Từ tháng 12 năm 2014 đến tháng 05 năm 2015 (trong đó tháng đầu tiên là nghiên cứu tài liệu; 4 tháng tiếp theo là lấy mẫu nước giếng và tiến hành phân tích, đánh giá; tháng cuối cùng là viết bài khóa luận).
2.3.2. Chuẩn bị mẫu
Lấy mẫu phân tích là khâu quan trọng quyết định độ chính xác của kết quả phân tích. Qúa trình lấy mẫu phải đảm bảo đủ các yếu tố của QA/QC trước lúc (chuẩn bị), trong lúc lấy mẫu và sau khi đã lấy xong mẫu cũng như vận chuyển và bảo quản chúng. Đó là cả một quá trình mà mọi người đều phải thực hiện đúng các quy trình lấy mẫu, có như thế mới có được mẫu để phân tích cho ra kết quả phản ánh đúng thực tế của đối tượng cần nghiên cứu, phân tích.
34
- Chọn địa điểm và vị trí lấy mẫu: tại mỗi mặt cắt trên địa bàn, chọn 4 thôn để lấy mẫu. Cụ thể ở trên bản đồ phụ lục 1, thôn 1: Khu vực giáp với ruộng lúa; thôn 3: Khu vực chợ Lộc Ninh, giáp ranh với ruộng lúa; thôn 6: Khu vực gần nhà máy cosevco; thôn 8: Khu vực giáp với xã Quang Phú, gần bãi cát biển Quang Phú.
Tìm hiểu số giếng còn sử dụng cho sinh hoạt, với mỗi thôn lấy 2 mẫu nước giếng thu được 8 mẫu, chọn những khoảng cách hợp lý để lấy mẫu. Khoảng cách bình quân giữa các khu vực lấy mẫu nước giếng cách nhau 800-1000m. Lấy đường quốc lộ 1A làm chuẩn thôn 1 và thôn 6 nằm về hướng Tây Nam của đường quốc lộ 1A, thôn 3 và thôn 8 nằm về hướng Đông Bắc của đường quốc lộ 1A. Đồng thời chia làm hai đợt lấy mẫu có thời gian lấy mẫu cách nhau khoảng 2 tháng nhằm khảo sát, đánh giá sự thay đổi hàm lượng của Fe và Mn theo địa điểm và thời gian.
- Cách lấy mẫu: việc lấy mẫu được thực hiện dựa theo quy định trong tiêu chuẩn Việt Nam: TCVN 6663-1: 2011_ Chất lượng nước. Lấy mẫu. Từ đó tôi tiến hành lấy mẫu như sau: rửa sạch chai nhiều lần bằng nước giếng đang lấy mẫu, dùng gầu (hoặc chai nhựa buộc dây) để lấy nước giếng, cho nước vào đầy chai nhựa đựng mẫu và đậy nắp kín. [19, 23, 36].
- Thời gian lấy mẫu:
Bảng 2.1. Thời gian lấy mẫu nước giếng tại xã Lộc Ninh
Đợt lấy
mẫu Thời gian Điều kiện thời tiết
Số lượng mẫu (Giếng) Đợt 1: Tháng 1 Buổi sáng, từ 8h- 10h30’, chủ nhật, ngày 18 tháng 01 năm 2015
Trời lạnh, nhiệt độ không khí khoảng 200C, trước thời điểm lấy mẫu một ngày trời có mưa dông, thời điểm lấy mẫu trời không mưa.
8 Đợt 2: Tháng 3 Buổi chiều, từ 2h- 16h30’, thứ 6, ngày 13 tháng 3 năm 2015
Trời nắng nhẹ, nhiệt độ không khí
khoảng 300C. 8
2.3.3. Ghi chép lập hồ sơ mẫu khi lấy [12]
Khi lấy mẫu, mỗi mẫu phải có ghi chép lập hồ sơ đầy đủ. Hồ sơ lấy mẫu nước giếng tại xã Lộc Ninh được thể hiện cụ thể ở bảng sau:
35
Bảng 2.2. Thông tin về các mẫu nước giếng thuộc xã Lộc Ninh
- Sau khi lấy mẫu nước cho vào chai nhựa, dán ký hiệu mẫu lên chai và tìm hiểu đặc điểm giếng. Kết quả được thể hiện ở bảng 2.3
Bảng 2.3. Đặc điểm tình hình giếng
TT
Ký hiệu mẫu Ni,j (i: thôn; j: vị trí lấy mẫu)
Mực nước vào mùa
mưa (giá trị tương đối so với miệng giếng) Mực nước vào mùa khô(giá trị tương đối so với miệng giếng) Cảm quan 1 N1,1 1m 2m Đun sôi để lâu có cặn trắng
2 N1,2 1m 3m Nước sau khi đun để
lâu có lắng gợn đục
3 N3,3 2m 7m Nước đun sôi để lâu
có bông trắng đục
4 N3,4 1m 6m Nước đun sôi để lâu
có bông trắng đục 5 N6,5 4m Cạn nước Để lâu có đọng cặn cao lanh 6 N6,6 3m 11m Để lâu có đọng cặn cao lanh 7 N8,7 1m 4m Nước không có hiện tượng gì lạ 8 N8,8 1m 5m Đun sôi để lâu có cặn trắng TT Ký hiệu mẫu Ni,j (i: thôn; j: vị trí lấy mẫu)
Tên hộ dân Độ sâu
giếng (m) Mục đích sử dụng
1 N1,1 Hoàng Thanh Hủy 4 Sinh hoạt
2 N1,2 Hoàng Công Yển 5 Sinh hoạt
3 N3,3 Hoàng Thị Hải 10 Sinh hoạt và kinh doanh
4 N3,4 Trần Mạnh Hoạch 8 Sinh hoạt
5 N6,5 Lê ThịĐào 12 Sinh hoạt và kinh doanh
6 N6,6 Nguyễn Văn Trung 15 Sinh hoạt và kinh doanh
7 N8,7 Nguyễn Văn Hóa 5 Sinh hoạt và kinh doanh
36
2.3.4. Xử lý sơ bộ, quản lí và bảo quản mẫu phân tích [2, 11, 12, 24]
Việc xử lý sơ bộ, quản lý và bảo quản mẫu là một khâu kế tiếp của công việc lấy mẫu phân tích. Lấy mẫu tốt nhưng bảo quản không tốt thì sẽ làm hỏng mẫu phân tích. Nhiều loại mẫu khi tách ra khỏi môi trường thực tế, các chất trong mẫu có thể bị thay đổi, bị mất hay bị phân hủy… Vì thế cần phải xử lý mẫu sơ bộ nhằm:
- Giữ và bảo toàn được chất phân tích không bị mất do các hiện tượng: sự tương tác hóa học, tự phân hủy của chất; sự thủy phân của các chất; sự sa lắng của chất và sự hấp phụ vào dụng cụ chứa mẫu.
- Phục vụ cho di chuyển dễ dàng và không hư hỏng mẫu.
- Bảo quản không làm thay đổi thành phần mẫu và chất phân tích. - Phục vụ cho bảo quản được dễ dàng và an toàn sau khi lấy.
Việc bảo quản mẫu được thực hiện dựa theo các quy định trong tiêu chuẩn Việt Nam: TCVN 6663-3: 2008_Chất lượng nước. Lấy mẫu. Hướng dẫn bảo quản và xử lý mẫu. Ngay sau khi thu thập đủ số lượng mẫu, các mẫu nước được đưa về phòng thí nghiệm trường Đại học Quảng Bình và tiến hành xử lý sơ bộ tại đây bằng cách dùng pipet lấy vào mỗi mẫu 1ml dung dịch axit HNO3 đặc và khuấy đều bằng đũa thủy tinh sạch (dụng cụ đã được rửa sạch và tráng bằng axit HNO3 đặc). Sau khi xử lí sơ bộ, cho mẫu xếp gọn vào nơi sạch sẽ, thoáng mát, tránh ánh sáng mặt trời trực tiếp và hôm sau đưa đi phân tích bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (mẫu nước không được để quá 24 giờ).
Lưu ý: Các khâu lấy mẫu, xử lý sơ bộ, quản lí và bảo quản mẫu phải đảm bảo tiêu chuẩn QA (quality assurance - đảm bảo chất lượng) và QC (quality control - kiểm soát chất lượng).
37
Hình 2.1: Sơ đồ chung về QA/QC trong lấy mẫu và phân tích
2.4. TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM
Nghiên cứu tập trung vào xây dựng phương pháp phân tích sắt và mangan trên thiết bị quang phổ hấp thụ nguyên tử bằng kỹ thuật xử lý mẫu ướt (pha mẫu bằng dung dịch axit HNO3 đặc). Quy trình xử lý mẫu và phân tích xác định hàm lượng sắt - mangan trong mẫu nước giếng được thực hiện tại Trung tâm Kỹ thuật đo lường Thử nghiệm – Chi cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng và quá trình thực hiện được cụ thể hóa các bước như hình 2.2:
38
Lấy mẫu + dd HNO3 đ
Hình 2.2: Quy trình xử lý mẫu, phân tích xác định hàm lượng sắt và mangan trong mẫu nước giếng bằng phương pháp AAS
2.5. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH
Trong nghiên cứu này, áp dụng kỹ thuật phân tích quang phổ hấp thụ nguyên tử với kỹ thuật pha mẫu ướt. Thực hiện tại Trung tâm Kỹ thuật Đo lường Thử nghiệm - Chi cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng Quảng Bình và chấp nhận những điều kiện hoạt động của thiết bị đã được công bố [12], như nêu ở bảng 2.4.
Bảng 2.4. Điều kiện đo F-AAS xác định sắt và mangan trong mẫu nước giếng
Thống số Fe Mn
λ (nm) 248,33 279,48
Khe đo (mm) 2,7/1,8 2,7/1,8
Hổn hợp khí đốt KK-C2H2 KK-C2H2 Kiểu đèn Catot rỗng sắt Catot rỗng mangan
Đèn bổ chính nền D2 D2
2.6. PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH LƯỢNG
Để xác định hàm lượng của mỗi nguyên tố trong mẫu phân tích theo phép đo F- AAS tôi thực hiện theo phương pháp đương chuẩn.
Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào phương trình cơ bản của phép đo A = a.C ±b (trong đó: A là độ hấp thụ, C là nồng độ) và một dãy mẫu đầu để dựng một đường chuẩn sau đó nhờ đường chuẩn này và giá trị Ax đo được để xác định nồng độ Cx của nguyên tố cần phân tích trong mẫu đo phổ, từ đó tính được nồng độ của nó trong mẫu phân tích.
Lấy 200 mL dung dịch mẫu A cho vào bình Kjeldal 250 mL, sau đó cô cạn rồi định mức thành 10 mL dùng để định lượng sắt và mangan.
Định lượng sắt từ dung dịch A cần cô cạn 5 lần còn mangan thì không cần cô cạn. * Nồng độ Me trong dung dịch A được tính theo công thức:
39
Trong đó: [Me]* là nồng độ của Me trong dung dịch phân tích sau khi đã trừ đi giá trị của mẫu trắng và kA là hệ số tính đến sự pha loãng.
kA = 1/5 khi định lượng sắt và kA = 1 khi định lượng mangan trong các mẫu nước.
2.7. KIỂM SOÁT CHẤT LƯỢNG CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH
Các phương pháp áp dụng để phân tích sắt và mangan trong bài khóa luận này là các phương pháp tiêu chuẩn của Việt Nam. Để kiểm soát được chất lượng của phương pháp trước khi áp dụng phân tích hàm lượng sắt và mangan bằng cách đánh giá độ đúng (phân tích mẫu thêm chuẩn – spiked sample) và độ lặp lại của phương pháp phân tích.
2.7.1. Độđúng
Độ đúng của phép đo phản ánh mức độ phù hợp của đại lượng trung bình cộng so với giá trị thực. Một phép đo có thể chính xác nhưng không đúng và ngược lại. Một phép đo đúng cần có độ chính xác cao và độ đúng tốt [13].
Độ đúng cuả phương pháp phân tích sắt và mangan bất kì được xác định thông qua độ thu hồi (Recovery) [13]. Độ thu hồi được xác định theo công thức sau:
Rev (%) = .100 1 0 2 x x x + (2.1)
Trong đó, x0 là nồng độ chất phân tích trong mẫu; x1 là nồng độ chất chuẩn thêm vào mẫu; x2 là nồng độ xác định được trong mẫu đã thêm chuẩn.
Theo Horwitz, sai số giữa các phòng thí nghiệm (đánh giá qua độ lệch chuẩn tương đối – RSD) khi phân tích nồng độ C nếu đạt được RSD nhỏ hơn
2
1RSDH (tính theo phương trình Horwitz (2.2)) là chấp nhận được [13].
RSDH (%) = 2(1-0,5lgC) (2.2)
2.7.2. Độ lặp lại
Độ lặp lại hay độ chính xác của phép đo phản ánh sự phân tán các giá trị thực nghiệm xung quanh một giá trị trung bình [13].
Để xác định độ lặp lại của phương pháp phân tích, chúng tôi tiến hành phân tích lặp lại 4 lần (n = 4) trong một mẫu rồi tính độ lệch chuẩn tương đối RSD [14] (theo phương trình 2.3).
RSD (%) = .100%
X S
(2.3)
Trong đó, S là độ lệch chuẩn của các kết quả phân tích y1, y2, y3, y4 (n = 4); X là giá trị trung bình của các kết quả phân tích.
40
Trong thực tế, khi tiến hành phân tích mẫu trong các đợt, việc kiểm soát chất lượng của các phương pháp phân tích đối với các thông số trên thỉnh thoảng được thực hiện.
2.7.3. Xác định giới hạn phát hiện (LOD), giới hạn định lượng (LOQ) và độ nhạy [14]
Giới hạn phát hiện (LOD) là nồng độ nhỏ nhất của chất phân tích có thể xác định. Giới hạn phát hiện của phương pháp đối với mỗi kim loại được xác định theo quy tắc 3σ và dựa vào hồi quy tuyến tính:
y = yb +3σb hay y = yb + 3Sb (2.4)
Trong đó, y là tỉ lệ cường độ chất phân tích đối với chất nội chuẩn của GHPH; Yb là tín hiệu mẫu trắng;
Σb (hay Sb) là độ lệch chuẩn của tín hiệu mẫu trắng.
Giới hạn định lượng (LOQ) là tín hiệu hay nồng độ nhỏ nhất trên đường chuẩn tin cậy. Giới hạn định lượng được xác định một cách tương đối theo công thức 2.5.
LOQ ≈ 3,3.LOD (2.5)
Độ nhạy được đánh giá qua độ nhạy nồng độ (độ nhạy tương đối) là nồng độ nhỏ nhất của nguyên tố phân tích có trong mẫu để có thể phát hiện được tín hiệu hấp thụ của nó theo một vạch phổ nhất định đã chọn và tín hiệu này phải bằng 1% của giá trị hấp thụ toàn phần hay bằng ba lần dao động của giá trị nền.
Sử dụng Excel 2003 để tính toán thống kê, biểu diễn kết quả thí nghiệm, thiết lập phương trình đường chuẩn và tính hệ số tương quan (R).
2.8. XỬ LÝ SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM
Kết quả đo F-AAS được thể hiện cụ thể sau khi đo thông qua phần mềm kết nối giữa máy tính và máy quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS.
Áp dụng phần mềm Excel 2003 và Origin 8.0 để xử lý và kiểm tra các số liệu thực nghiệm, xây dựng phương trình hồi quy tuyến tính để tính định lượng và đánh giá tương quan, phân tích phương sai (ANOVA một chiều,...).
Đánh giá hàm lượng các kim loại nặng bằng phương pháp thống kê.
2.8.1. Tính sai số
Sai số (error) là sự sai khác giữa các giá trị thực nghiệm thu được so với giá trị mong muốn. Sai số phép đo dẫn đến sự không chắc chắn của số liệu phân tích.
Các kết quả sau khi được xử lý bằng phần mềm Excel 2003 trên máy vi tính và biểu diễn dưới dạng: X = X ± tα.SX
Trong đó: X là giá trị trung bình của các lần xác định; tαlà chuẩn student ứng với P = 0,95;
41
SX là độ lệch chuẩn của giá trị trung bình và SXđược xác định bằng biểu thức: SX= n S hay SX= n S2
S2 là phương sai có giá trị được tính theo biểu thức: S2 =
) 1 ( ) ( 2 1 − − Σ = n X Xi n i Do đó: SX= ) 1 ( ) ( 2 1 − − Σ = n n X Xi n i Với n là số lần thí nghiệm. - Độ chính xác của phép đo: ε =tp,k.SX
- Sai số tương đối của phép đo (q % : Relative error):
% 100 . % 100 . % 100 . % X E x q i A ε µ µ µ = = − =
- Sai số tuyệt đối của phép đo (EA: Absolute error): Là sự sai khác giữa giá trị đo được (xi) với giá trị thật (µ) và được xác định theo công thức: EA = xi - µ
2.8.2. Phân tích kết quả bằng phương pháp phân tích phương sai một yếu tố (ANOVA một chiều) một chiều)
Phép phân tích phương sai dùng để so sánh các giá trị trung bình của nhiều tập hợp mẫu, từ đó đánh giá sự ảnh hưởng của yếu tố cơ bản (gây ra sai số hệ thống) lên các giá trị trung bình.