1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Giới thiệu chung
Trong nước tự nhiên luôn tồn tại một lượng nitrat đáng kể. Ion nitrat trong nước mặt không ô nhiễm chủ yếu do các quá trình biến đổi hóa học trong nước, như quá trình nitrat hóa. Quá trình này là sự oxi hóa ion amôni thành nitrat do vi khuẩn hoạt động ở điều kiện hiếu khí. Vi khuẩn nitrosomonas oxi hóa NH4+ thành nitrit:
NH4+ + OH- + 1,5O2 → H+ + NO2- + 2H2O trong khi vi khuẩn nitrobacter oxi hóa nitrit thành nitrat:
NO2- + 0,5O2 → NO3-
Ngoài ra, sự sa lắng từ không khí cũng là một nguồn quan trọng của ion nitrat trong nước mặt. Hàm lượng nền của NO3- - N từ sa lắng không khí khoảng 0,9 – 1,0 mg l-1nhưng ở nhiều nơi trên thế giới, giá trị này tăng đến 5 – 10 mg l-1 do nhiều quá trình phát thải. Nước thải công nghiệp, đô thị và nông nghiệp chứa hàm lượng cao đến 50 – 100 mg NO3- - N l-1 có thể thải lượng lớn nitrat vào nước mặt và nước ngầm, cuối cùng là vào nước cấp.
Hàm lượng nitrat trong nước uống đang tăng lên như một cảnh báo với những nước phát triển cũng như đang phát triển, phần lớn do việc xửlí nước thải chưa hợp lý dùng dư phân bón. Qui định hiện hành của WHO trong nước uống là 50 mg NO3- l-1 (hoặc 11 mg N l-1). Không thấy có ảnh hưởng nào đến sức khỏe đối với nước có hàm lượng NO3- - N nhỏhơn 20 – 30 mg NO3- – N l-1, ngoại trừ tạo ra methemoglobin ở trẻ nhỏ.
1.2. Phương pháp xác định
Có nhiều phương pháp phân tích nitrat trong nước một cách trực tiếp hoặc gián tiếp, nhưng mỗi phương pháp đều có hạn chế riêng. Trong tài liệu này sẽ giới thiệu hai phương pháp phân tích.
1.2.1 Phương pháp sắc kí lỏng ion theo TCVN 6494 – 1999
Tách sắc kí lỏng ion bằng cột tách. Dùng chất trao đổi anion dung lượng thấp làm pha tĩnh và các dung dịch nước thông thường của các muối chứa các axit yếu bậc một hoặc bậc hai làm pha động (dung dịch rửa giải). Dùng detector đo độ dẫn đểxác định hàm lượng mẫu. Qui trình phân tích theo phương pháp này cho phép xác định nồng độnitrat trong nước từ 0,1 mg – 50 mg/l. (Xem chi tiết trong mục 1.2.1 bài thí nghiệm số 6).
1.2.2 Phương pháp số 8171 của HACH
Dựa theo phương pháp 8171 của hãng HACH (Mỹ). Kim loại cadimi có trong thuốc thử sẽ khử nitrat trong mẫu nước thành nitrit, sau đó ion nitrit sẽ phản ứng với một axit trung bình là axit sulfanic tạo muối diazonium. Hai muối trong mẫu kết hợp với axit tạo ra dung dịch có màu hổ phách. Mật độ quang của dung dịch được đo ởbước sóng 400 nm.
Phương pháp này dùng đểxác định hàm lượng nitrat trong nước máy, nước thải và nước biển
với hàm lượng NO3- - N từ 0,1 – 10,0 mg/l.
Trong quá trình đo, các yếu tốđược liệt kê trong bảng sau đây có thể gây ảnh hưởng tới kết quảphép đo hàm lượng nitrat của mẫu.
Bảng 10.1 Các chất gây ảnh hưởng đến xác định hàm lượng nitrat
Chất gây ảnh hưởng Mức độảnh hưởng
Clorua Clorua với hàm lượng trên 100 mg/l có thể gây ảnh hưởng tới phép đo, do đó với mẫu nước biển cần sử dụng phương pháp hiệu chỉnh để hạn chế sai số của phép đo.
Ion sắt Gây ảnh hưởng ở mọi mức độ
Nitrit Gây ảnh hưởng ở mọi mức độ Các chất khử và oxi hoá Gây ảnh hưởng ở mọi mức độ
2. HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ
2.1 Hóa chất và thiết bị cho phương pháp sắc kí lỏng ion theo TCVN 6494 – 1999
Máy sắc kí lỏng ion;
Tủ sấy;
Bình hút ẩm;
Bình định mức các loại;
Thiết bị lọc hút chân không với màng lọc cỡ lỗ trung bình 0,45 µm;
Natri hiđrocacbonat (NaHCO3);
Natri hiđrocacbonat (Na2CO3);
Kali hiđro phtalat (C8H5O4K);
Natri nitrat (NaNO3).
2.2. Phương pháp số 8171 của HACH
Máy đo quang DR 2700 – HACH;
Bột thuốc thử Nitra®Ver 5: 1 gói;
3. CÁCH TIẾN HÀNH
3.1 Lấy mẫu và bảo quản mẫu
Kết quả phân tích sẽ tin cậy hơn khi ion nitrat được xác định trong mẫu mới lấy. Để bảo quản trong thời gian ngắn tối đa đến 1 ngày, mẫu cần được lưu trữ trong tủở 4oC. Nếu không thể phân tích trong thời gian như trên, cho 0,5 – 1,0 ml H2SO4 đặc/1 lít mẫu và bảo quản ở 4oC.
Trước khi phân tích, đưa nhiệt độ của mẫu tới nhiệt độ phòng sau đó điều chỉnh pH tới 7 bằng dung dịch natri hiđroxit tiêu chuẩn 5,0 N. Không dùng chất bảo quản có chứa thủy ngân.
Để có kết quả chính xác lấy tổng thểtích (axit + bazơ + mẫu) cho thể tích thực của mẫu và nhân kết quả với hệ sốđó.
3.2 Qui trình phân tích
3.2.1 Qui trình theo phương pháp sắc kí lỏng ion
Pha các dung dịch rửa giải giống như trong mục 3.2.1 của bài thí nghiệm số 6.
Dung dịch gốc
Chuẩn bị dung dịch gốc chứa 1000 mg/l NO3- (cân 1,3707 g NaNO3 đã sấy khô ở 105oC trong 24 giờ pha bằng nước cất trong bình định mức tới thể tích 1000 ml). Dung dịch này bền được vài tháng nếu bảo quản lạnh.
Từ dung dịch gốc, pha loãng ra thành 5 - 10 dung dịch chuẩn khác nhau có nồng độ cần xác định từ 1 mg/l tới 10 mg/l . Các dung dịch này chỉ bền trong khoảng từ 1 - 2 ngày.
Lắp cột sắc kí lỏng ion vào máy. Điều chỉnh máy sắc kí theo hướng dẫn của nhà sản xuất, máy bắt đầu sử dụng được đểbơm mẫu khi đường nền ổn định.
Tiến hành bơm các dung dịch chuẩn có nồng độkhác nhau để tiến hành lập đường chuẩn cho
máy. Thiết lập hàm chuẩn cho cho việc xác định ion cần phân tích theo phương trình sau:
y = ax + b Trong đó:
y là giá trịđo được (độ lớn của tín hiệu) tính theo chiều cao pic, mm hoặc diện tích pic mm2;
a là độ dốc của đường chuẩn, ví dụ mml/mg hoặc mm2l/mg;
b là điểm cắt của đường chuẩn với trục hoành (dung dịch trắng) theo đơn vị mm hoặc mm2.
x là nồng độ khối lượng của ion cần phân tích, mg/l.
Định tính hàm lượng ion cần phân tích bằng cách so sánh với thời gian lưu, chiều cao pic của dung dịch tiêu chuẩn. Nếu mẫu có hàm lượng cao vượt quá khoảng phân tích, cần tiến hành pha loãng mẫu. Sau khoảng 10 – 20 lần đo, cần đo lại nồng độ của 1 - 2 dung dịch chuẩn. Tính toán lại nồng độ dung dịch chuẩn, nếu có sự sai lệch cần tiến hành lập lại đường chuẩn mới.
Tính toán kết quả
Xác định hàm lượng anion (x) trong dung dịch mẫu dựa trên diện tích hoặc chiều cao pic và đường chuẩn như sau:
x = yb/a Trong đó:
y là giá trịđo được (tín hiệu) tính theo chiều cao pic, mm hoặc diện tích pic mm2; a là độ dốc của đường chuẩn, ví dụ mml/mg hoặc mm2l/mg;
b là điểm cắt của đường chuẩn với trục hoành (dung dịch trắng) theo đơn vị mm hoặc mm2.
3.2.1 Phương pháp số 8171 của HACH
1. Chọn chương trình đo chỉ tiêu nitrat số 353 trên máy đo quang.
2. Chuyển 10 ml nước mẫu vào cuvet đo.
3. Đổ 1 gói bột thuốc thử Nitra®Ver 5 vào cuvet chứa mẫu, đậy nắp và lắc đều.
4. Đặt thời gian phản ứng trên máy là 1 phút. Lắc mạnh cuvet chứa mẫu trong thời gian là 1 phút. Chú ý: lượng chất rắn trong thuốc thử thêm vào có thể không phản ứng hết.
5. Đặt tiếp thời gian phản ứng là 5 phút. Để yên cuvet chứa mẫu, không lắc. Màu hổ phách sẽ xuất hiện nếu trong mẫu có mặt nitrat.
6. Chuẩn bị mẫu trắng: Hút 10 nước mẫu cho vào cuvet sạch thứ hai.
7. Khi máy báo hết thời gian phản ứng, lau khô cuvet chứa mẫu trắng và chuyển vào máy đo.
8. Chỉnh hàm lượng nitrat trong mẫu trắng về 0. Màn hình sẽ hiển thị 0,0 mg/l NO3
-
9. Trong vòng 2 phút sau khi thời gian phản ứng kết thúc, lau sạch cuvet chứa mẫu và chuyển vào máy đo.
10. Ấn phím đọc kết quả hàm lượng mg/l NO3 - - N. Chú ý:
- Đểcó được kết quảđo chính xác, cần xác định giá trị của mẫu trắng với mỗi lô thuốc thử mới. Làm theo đúng trật tựnhư với mẫu nhưng thay bằng nước cất. Trừ kết quả đo của mẫu với kết quả của mẫu trắng hoặc dùng mẫu trắng để hiệu chỉnh. Phần kim loại chưa oxi hoá hết sẽ nằm lại trong đáy cuvet sau khi hoà tan NitraVer®5, nhưng kết tủa này không làm ảnh hưởng tới kết quảđo.
- Phương pháp đo này rất nhạy cảm do thời gian và kỹ thuật lắc có ảnh hưởng đến quá trình tạo màu.
4. NHẬN XÉT KẾT QUẢ
- So sánh kết quả phân tích mẫu của nhóm với Qui chuẩn Việt Nam vềhàm lượng nitrat trong từng loại nước; đánh giá chất lượng nước nơi lấy mẫu về chỉ tiêu nitrat. Thực hiện một phân tích thống kê đơn giản đối với kết quả của bạn; ví dụ tính giá trị trung bình và độ lệch chuẩn của mỗi dạng N; tính hệ sốtương quan giữa các cặp (NH3 và NO3-; NO3- và NO2-...). Dùng các bảng thống kê (phụ lục E – giáo trình phân tích môi trường) để xem liệu có mối quan hệ nào là đáng kể về mặt thống kê không.
- Thu thập các kết quả phân tích nitrat tại cùng điểm lấy mẫu của các nhóm khác trong lớp. Tính toán độ lệch chuẩn của bộ số liệu thu thập và thảo luận kết quả thu được dựa vào các kiến thức vềhóa nước.
- Mô tả sự biến đổi của N trong nước và vai trò của các quá trình hóa học, sinh hóa và địa hóa tới các quá trình biến đổi này.
Bài 11