Chương 2 : THỰC NGHIỆM
2.1. MỤC TIÊU, NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, KỸ THUẬT
2.1.4. CÁC KỸ THUẬT PHÂN TÍCH ĐƯỢC SỬ DỤNG
2.1.4.1. Phương pháp đo COD
COD (nhu cầu oxi hóa học) được định nghĩa là lượng oxygen cần thiết
cho q trình oxy hóa hóa học các chất hữu cơ trong mẫu nước thành các chất vô cơ CO2, H2O v.v… Lượng oxygen này tương đương với hàm lượng chất hữu cơ có thể bị oxi hóa được xác định khi sử dụng một tác nhân oxi hóa hóa học mạnh trong mơi trường axit.
(2.1)
Cơng thức này không bao gồm nhu cầu oxi gây ra từ q trình oxi hóa amoniac thành nitrat. Q trình chuyển hóa amoniac thành nitrat được gọi là
nitrate hóa. Dưới đây là phương trình chính tắc để oxi hóa amoniac thành nitrate.
3 2 3 3
NH +2O ⎯⎯→NO−+H O+(2.2)
Phương trình (2.2) nên được áp dụng sau phương trình (2.1) để gộp cả q trình oxi hóa trong sự nitrate hóa nếu như nhu cầu oxygen từ việc nitrate hóa phải được biết đến. Dicromate khơng oxi hóa amoniac thành nitrate, vì thế q
trình nitrate hóa này có thể bỏ qua một cách an tồn trong thử nghiệm nhu cầu oxi hóa học tiêu chuẩn.
Như vậy, thông qua độ giảm COD của mẫu nước sau khi xử lý ta có thể
đánh giá được hàm lượng chất hữu cơ ban đầu đã bị vô cơ hóa hồn tồn thành
CO2 và H2O. Tuy nhiên, phương pháp này không cho phép ta xác định được sản
phẩm phụ sinh ra trong quá trình xử lý là những hợp chất gì, có độc hại hay khơng. Phương pháp phổ biến nhất để xác định COD là phương pháp bicromate và cơ chế của nó theo phương trình phản ứng sau:
o 2 4 Ag SO ,t 2 3 n a b c 2 7 2 2 4 a 8d 3c C H O N dCr O (8d c)H nCO H O cNH 2dCr 2 − + + − + + + + + ⎯⎯⎯⎯→ + + + (2.3) Trong đó d = 2n/3 + a/6 - b/3 - c/2
Xác định COD bằng phương pháp so màu [8]
Chất hữu cơ bị oxi hóa bằng K2Cr2O7 trong mơi trường axit mạnh, nhiệt độ cao. Sau phản ứng dùng phương pháp so màu để đo độ hấp thu của ánh
sáng ở bước sóng 600nm (tương ứng với vùng hấp thu của ion Cr3+ tạo thành). Dựa vào đường chuẩn COD=fenobucarb (Abs) ta suy ra giá trị COD của mẫu cần đo.
Chuẩn độ ngược
Trong phạm vi luận văn này, chúng tôi lựa chọn phương pháp chuẩn
độ ngược để xác định COD của mẫu thí nghiệm.
Lượng Cr2O72- dư được chuẩn độ bằng dung dịch FAS
(Fe(NH4)2(SO4)2) và sử dụng dung dịch feroin làm chất chỉ thị. Điểm kết thúc
chuẩn độ là điểm khi dung dịch chuyển từ màu xanh lam sang màu nâu đỏ nhạt theo phản ứng sau:
6Fe2+ + Cr2O72- +14H+ ⎯⎯→ 6Fe3+ + 2Cr3+ + 7H2O. Hàm lượng COD được tính theo cơng thức:
COD =( A _ B)x Nx C 8000
trong đó
COD: nhu cầu oxygen hóa học
A: thể tích dung dịch Fe(SO4)(NH4)2SO4.6H2O tiêu tốn cho chuẩn độ dung dịch trắng, (ml).
B: thể tích dung dịch Fe(SO4)(NH4)2SO4.6H2O tiêu tốn cho chuẩn độ dung dịch mẫu, (ml).
C: thể tích mẫu phân tích, (ml).
N: nồng độ đương lượng của dung dịch
Fe(SO4)(NH4)2SO4.6H2O.
8000: hệ số chuyển đổi kết quả sang mg O2/l.
Trở ngại chính của phương pháp bicromat là các hợp chất béo mạch thẳng, pyridine khơng bị oxi hóa. Các hợp chất bị oxi hóa dễ dàng hơn khi có mặt Ag2SO4 làm xúc tác. Nhưng Ag+ lại dễ dàng tạo kết tủa với các ion họ halogen (Cl-, Br-, I-) và các hợp chất này cũng có thể bị oxi hóa một phần. Để khắc phục trở ngại này, người ta thêm vào mẫu một lượng HgSO4 để tạo phức hòa tan với các ion đó, nhất là với Cl-. Để đạt độ chính xác cao, mẫu phải được xác định ngay. Trong trường
hợp lưu giữ thì phải acid hóa bằng sulfuric acid. Với mẫu nước có COD > 900mg/l nên pha loãng để tránh sai số khi xác định với thể tích mẫu q nhỏ.
Phương pháp bicromat có thể được thực hiện theo nhiều cách như: đun hoàn lưu hở (open reflux method), đun kín – chuẩn độ (chlorinesed reflux, titrimetric
method), đun kín – so màu (chlorinesed reflux, colorimetric method) hoặc xác định COD trực tiếp bằng máy. Mỗi cách đều có ưu, nhược điểm. Nên cần phải có sự áp dụng thích hợp.
2.1.4.2. Phương pháp đo TOC a)Nguyên tắc phương pháp a)Nguyên tắc phương pháp
Phân tích tổng carbon (TC: total carbon)
Mẫu được vơ cơ hố có xúc tác ở nhiệt độ 680oC (đối với mẫu nước) hoặc 900oC (mẫu rắn). Khí CO2 sinh ra đi qua hệ thống làm sạch, khử ẩm, khử khí halogen cuối cùng được định lượng bằng đầu dị hồng ngoại khơng tán sắc (NDIR: non-dispersive infra-red).
Mẫu được bơm vào bộ phân phản ứng IC rồi được axit hoá bằng
H3PO4 (pH = 2 – 3) để tạo ra khí CO2, khí mang sẽ đẩy CO2 tới detector (đầu dò) NDIR để định lượng.
Phân tích carbon hữu cơ khó bay hơi (NPOC: nonpurgeable organic carbon)
Sau khi axit hoá mẫu về pH =2 – 3 rồi sục khí bằng khí mang ta sẽ thu
được thành phần này. Đây chính là lượng TOC cịn sót lại trong mẫu sau khi ta đã
sục bỏ đi thành phần IC và TOC dễ bay hơi POC. Phương pháp này gọi là phương pháp NPOC.
Phân tích tổng carbon hữu cơ (TOC: total organic carbon)
Có thể xác định carbon tổng số (TC) và carbon vơ cơ (IC) rồi tính TOC=TC-IC. Phương pháp này tốt khi IC < TOC.
Khi trong mẫu thành phần IC lớn hơn nhiều so với TOC hoặc IC trong mẫu vượt quá 10ppm ta nên dùng phương pháp NPOC.
Phân tích tổng nitrogen (TN: total nitrogen)
Mẫu được vơ cơ hố ở 720oC có xúc tác sau đó được oxygen hố
bằng ozone tạo ra khí NO cuối cùng định lượng bằng đầu dị quang hố.
b)Dụng cụ thiết bị
Thiết bị TOC-VCPH và hệ thống máy tính.
Bảng 2.1: Mục đích ứng dụng của từng bộ phận trong hệ thống
TT Bộ phận Mục đích sử dụng
1 Máy chính TOC-VCPH Đo TC, IC, NPOC, TOC
2 Bộ tiêm mẫu tự động ASI-V Giúp máy chính đo tự động
nhiều mẫu lỏng một lúc.
3 Bộ phân tích tổng nitrogen Giúp máy chính đo thêm được thành phần TN
4 Bộ đo mẫu rắn SSM-5000A Giúp máy chính đo được TC,
IC, TOC, TN trong mẫu rắn, lỏng, sệt.
Pipet bầu: 1ml, 2ml,5ml, 10ml.
Bình định mức: 50ml, 100ml, 1000ml.
c)Cách tiến hành
Kết quả đo nồng độ TOC trong mẫu được tính dựa vào diện tích peak của mẫu và của đường chuẩn (máy tự động tính).
2.1.4.3. Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao HPLC(High performance
liquid chromatography). [16]
Sự sắc ký là một phương pháp vật lý để tách một hỗn hợp gồm nhiều loại hợp chất ra riêng thành từng loại đơn chất, dựa vào tính ái lực khác nhau của
những loại hợp chất đó đối với một hệ thống (hệ thống gồm hai pha: một pha động và một pha tĩnh).
a) Nguyên tắc
Sắc ký lỏng hiệu năng cao là phương pháp sắc ký lỏng có hiệu quả tách cao hơn nhiều so với phương pháp sắc ký lỏng cổ điển nhờ sử dụng các chất nhồi có kích thước rất nhỏ (5-10µm).Tốc độ nhanh, độ tách tốt, độ nhạy cao, cột tách được sử dụng nhiều lần, khả năng thu hồi mẫu cao vì hầu hết các đầu dị khơng phá hủy mẫu.
b) Cấu tạo
Trong thiết bị sắc ký lỏng hiệu năng cao hai bộ phận quang trọng nhất là bơm cao áp 3 và detector 5. Các bộ phận khác gồm : hệ thống cột tách 1, hệ thống pha động 2, bộ nạp mẫu 4 và các bộ lọc tạp chất 6.
Bơm cao áp: công suất bơm dùng cho sắc ký phân tích với lưu lượng
dịng pha động 0,1-10 ml/phút (đường kính trong của cột tách là 5nm) ở áp suất 300-400 bar. Còn trong sắc ký điều chế, cơng suất địi hỏi phải lớn hơn nhiều.
Bộ nạp mẫu: Được thiết kế phù hợp với hai kiểu bơm mẫu: bơm cùng
với dịng dung mơi hoặc bơm mẫu vào cột tách trong điều kiện dịng dung mơi ngưng lại không chịu áp suất, thường được sử dụng khi thiết bị phải làm việc ở áp suất rất cao.
Cột tách: Thông thường một cột tách dài 12,5-25cm, đường kính trong
2-4mm, được chế tạo bằng thép không gỉ. Trước khi nhồi cột, làm sạch cột bằng
HNO3 50% và rửa nhiều lần với nước, tráng bằng acetone, chloroform tiếp tục bằng acetone và làm khơ bằng khí N2 hoặc khơng khí nóng. Có thể nhồi cột bằng phương pháp khơ khi hạt nhồi có kích thước lớn hớn 20µm hoặc phương pháp ướt với huyền phù (metanol, acetone, dioxane,…hoặc hỗn hợp của chúng với parafin, cychlorinehexanol,…) bằng bơm cao áp, khi hạt nhồi có kích thước bé (5-10µm). Tùy kỹ thuật tách cụ thể mà chất nhồi vào cột sẽ được chọn phù hợp với mục đích phân tích.
Bộ lọc tạp chất: Trước khi dung môi đi vào cột phải được lọc bỏ các chất
Hệ thống pha động: Bao gồm các bình thủy tinh 500ml chứa các dung
mơi rửa giải ( phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao có thể được thực hiện với nhiều dung mơi khác nhau khi chạy theo chương trình dung mơi).
Detector (đầu dị): Có nhiều loại gồm detector hấp thu tử ngoại, detector
chiết suất vi sai, detector vận chuyển, detector hấp thu nhiệt. Sử dụng cho đề tài là detector hấp thu tử ngoại (UV).
Hình 2.1 Mơ tả tổng quát các bộ phận của máy sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC)
2.2. THỰC NGHIỆM
2.2.1. HÓA CHẤT, DỤNG CỤ, THIẾT BỊ 2.2.1.1. Hóa chất 2.2.1.1. Hóa chất
Tinh khiết (TK) Phân tích (PT) Trung Quốc(TQ). Fenobucarb ( C12H17NO2) 97%.
NaOH TK TQ.
AgNO3 TK TQ.
K2Cr2O7 TK TQ.
K2Cr2O7 chuẩn TK Mecrk.
FeSO4.7H2O TK TQ.
H2O2 (30%) TK TQ.
H2SO4 (98%) TK TQ.
HgSO4 TK TQ.
C12H8N2.H2O (phenanthroline) TK TQ.
2.2.1.2. Dụng cụ thiết bị
Stt Thiết bị Stt Dụng cụ
1 Máy đo pH WTW 330 (Đức) 1 Becher
2 Máy trắc quang Spectronic 320D 2 Pipette 3 Máy ly tâm Universal 16A 3 Giấy lọc
4 Cân kỹ thuật 2 số 4 Bình định mức
5 Cân phân tích Mettler Toledo AB204 (Thụy Sỹ), d=0,1mg. Max=210g, min=10mg
5 Ống nghiệm có nắp
vặn
6 Tủ sấy Memmert 6 Erlen
7 Máy đo điện thế 7 Nhiệt kế
8 Máy khuấy từ Barns tead (Mỹ) 8 Burette 9 Ổn áp Robot. Voltage :0⎯⎯→15(V)
Current :0⎯⎯→30(A)
9 Phễu
2.2.2. TIẾN TRÌNH THỰC NGHIỆM 2.2.2.1. Chuẩn bị điện cực điện phân 2.2.2.1. Chuẩn bị điện cực điện phân
Điện cực anode bằng titan. Tổng diện tích tiếp xúc với dung dịch điện
phân là 60cm. (ghép hai lưới titan lại thành điện cực).
Điện cực bằng sắt. Tổng diện tích tiếp xúc với dung dịch điện phân là
60cm2.
Điện cực bằng carbon. Tổng diện tích tiếp xúc với dung dịch điện phân là
2.2.2.2. Chuẩn bị dung dịch fenobucarb (C12H17NO2). Để có dung dịch
fenobucarb 200mg/l:
Cân chính xác 0,4124g fenobucarb.
Nước cất (độ dẫn 2µs) được đun sơi và để nguội để đuổi bớt khí.
Hịa tan 0,4124g fenobucarb vào nước cất đun sơi để nguội và định mức
2000ml. Và cho vào bình tam giác dùng máy khuấy từ khuấy đều trong 4h (để
trong bóng tối và có phủ giấy bên ngồi bình tam giác).
Sau khi khuấy xong, dung dịch fenobucarb 200mg/l cho vào bình nút nhám, sậm màu và ủ trong tủ lạnh ở nhiệt độ 5-10oC. Dùng làm thí nghiệm từ từ.
2.2.2.3. Chuẩn bị các hóa chất khác
Dung dịch FeSO41M (pH=2-3): Cân 27,8gam FeSO4.7H2O cho vào bình
định mức 100ml (đã có sẵn 50ml nước cất 1 ít H2SO4 98% để chỉnh pH) sau đó
tiếp tục dùng nước cất định mức đúng 100ml. Dùng H2SO4 (98%) để chỉnh pH
cho phù hợp.
Dung dịch H2SO4 20% (d=1,84g/ml): lấy 126,5ml H2SO4 (98%) d=1,84 cho vào bình định mức đã có sẵn 500ml nước cất, để nguội. Dùng nước cất định
mức đúng 1000ml.
2.2.2.4. Tiến hành đo COD Chuẩn bị hóa chất
Cân 10,2610g K2Cr2O7 (đã sấy khô ở 90oC trong vịng 2 giờ, để nguội
trong bình hút ẩm) cho vào bình định mức 1 lít đã chứa sẵn 500ml nước cất. Thêm 167ml H2SO4 tinh khiết, cho thêm tiếp 33,3g HgSO4 lắc tan. Để nguội, định mức bằng nước cất đúng 1 lít.
Dung dịch Ag2SO4: cân 5,0g Ag2SO4 hòa tan trong 500ml H2SO498%(d=1,84g/ml) để 1-2 ngày cho tan hết.
Dung dịch Fe(NH4)2(SO4)2 : 0,25N. Hòa tan 98,00g Fe(NH4)2(SO4)2.6H2O vào trong nước, thêm 20ml H2SO4 tinh khiết. Để nguội và định mức thành 1 lít.
Dung dịch Fe(NH4)2(SO4)2 0,0125N. Lấy 50ml dung dịch Fe(NH4)2(SO4)2 0,25N định mức thành 1000ml bằng nước cất. Dung dịch này cần phải chuẩn độ bằng dung dịch chuẩn K2Cr2O7 0,0125 N (chất chuẩn của Mecrk)
trước khi sử dụng.
Feroin (chỉ thị) : Hòa tan 1g Fe(NH4)2(SO4)2.6H2O vào nước thêm 1,50g 1,10 phenanthroline ngậm 1 nước C12H8N2.H2O cho thêm nước cất lắc tan và định mức thành 100ml.
Fenobucarb 200mg/l.
Tiến hành thí nghiệm
Dựng đường chuẩn:
Lấy 2,5; 5; 12,5; 25; 50ml fenobucarb 200mg/l cho vào bình và định mức bằng nước cất đúng 50ml. Được các nồng độ tương ứng là 10; 20; 50; 100;
200mg/l.
Thêm vào các ống nghiệm 10ml (ống nghiệm có nắp đậy được rửa sạch, sấy khơ và tráng lại bằng axit H2SO4 20%) theo thứ tự các hóa chất sau : 2,5ml các dung dịch trong bình định mức có nồng độ 10; 20; 50; 100; 200mg/l, từ buret cho tiếp 1,5ml dung dịch K2Cr2O7 (10,2610g K2Cr2O7 ,167ml H2SO4 98%, 33,3g HgSO4 định mức bằng nước cất đúng 1 lít) ngâm ống nghiệm vào nước lạnh sau đó cho tiếp 3,5ml dung dịch Ag2SO4 (5,0g Ag2SO4 hòa tan trong 500ml H2SO4 98%).
Vặn nắp rồi lắc đều ống nghiệm, cho vào tủ sấy ở 150oC trong 2 giờ. Lấy ra để nguội cho vào erlen 100ml tráng sạch bằng nước cất, cho vào 2 giọt chỉ thị Feroin.
Chuẩn độ lượng dư Cr2O72- bằng dd muối morh (đã chuẩn lại nồng độ) từ buret. Lắc đều, dừng chuẩn độ khi dung dịch trong erlen chuyển từ xanh chàm
sang hồng đỏ nhạt.[9]
Làm phép chuẩn độ 3 lần, lấy giá trị thể tích trung bình.
Tiến hành phân tích mẫu trắng bằng cách tương tự nhưng thay 2.5ml dung dịch fenobucar bằng 2.5ml nước cất.
COD =( A _ B)x Nx 8000C
Hình 2.2: Đường chuẩn COD
Đo COD:
Cho hóa chất vào ống nghiệm 10ml giống như ở phần dựng đường chuẩn ( chỉ thay 2,5ml dung dịch fenobucarb nồng độ10; 20; 50; 100; 200mg/l bằng
2,5ml dung dịch fenobucarb sau điện phân).
Làm theo trình tự như ở phần dựng đường chuẩn. Dựa vào đường chuẩn để tính tốn.
2.2.2.5. Tiến hành đo sắc ký lỏng hiệu năng cao
Điều kiện chạy mẫu
Tên cột phân tích: Carbamat(250*4.6)mm, 5um.
Đầu dị: UV (bước sóng 262nm).
Tốc độ dịng: 1ml/phút.
Pha động: Methanol/nước (6/4).
Lấy 2,5; 12,5; 25; 37,5; 50ml fenobucarb 200mg/l cho vào bình và định mức bằng nước cất đúng 50ml. Được các nồng độ tương ứng là 10; 50; 100; 150;
200mg/l.
Lần lượt các mẫu thử được bơm vào máy đo sắc ký lỏng hiệu năng cao
Hình 2.3: Đường chuẩn sắc ký lỏng hiệu năng cao PEAK 1.
2.2.2.6. Tiến hành đo TOC
Hình 2.5: Đường chuẩn TOC. (xem phụ lục 4)
2.2.2.7. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phân hùy
fenobucarb trong quá trình điện phân.
Bình điện phân là becher 500ml chứa 300ml dung dịch fenobucarb. Cố định 2 điện cực bên trong, được nối với dây dẫn và nối với 2 cực của ổn áp robot.
Cho dòng điện một chiều với điện thế áp đặt E (tương ứng với cường độ
dòng điện I) qua dung dịch điện phân trong thời gian t.
Để tăng khả năng phân bố đồng đều thành phần các chất trong dung dịch,
bên dưới bình điện phân đặt một máy khuấy từ, trong becher có cá từ thích hợp.
Thí nghiệm 1 Cách bố trí điện cực. Dung dịch fenobucarb 200mg/l. pH=2,14. 0,5ml FeSO4 1M. E=10(V).
Sơ đồ điện phân khi 2 điện cực đặt đứng Sơ đồ điện phân khi 2 điện cực đặt nằm ngang
Khoảng cách 2 điện cực 0,5cm.
a)Anode (+): titan. Cathode (-): carbon. b)Anode (+): titan. Cathode(-): titan.
Thí nghiệm 2 Lựa chọn nguyên liệu làm điện cực anode
Dung dịch fenobucarb 200mg/l.
pH=2,14.
E=10(V).
Khoảng cách 2 điện cực 0,5cm. a)Anode (+): sắt. Cathode(-): carbon. b)Anode (+): titan. Cathode(-): carbon.
Thí nghiệm 3 Nguyên liệu làm điện cực cathode
Dung dịch fenobucarb 200mg/l, pH=2,14 (chỉnh bằng H2SO4 20%), 0,5ml FeSO4 1M.
E=10(V).
Khoảng cách 2 điện cực 0,5cm.
a) Anode (+): titan. Cathode (-): carbon. b) Anode (+): titan. Cathode (-): titan. c) Anode (+): titan. Cathode (-): sắt.
Thí nghiệm 4 Khảo sát khả năng hấp phụ fenobucarb lên kết tủa sắt
300ml fenobucarb cho vào một cốc 500ml, đặt trên máy khuấy từ. Cho thêm vào cốc 1ml FeSO4 1M, 1ml NaOH 2M.
Fenobucarb 200mg/l. Fenobucarb 150mg/l.
Fenobucarb 100mg/l. Fenobucarb 75mg/l. Fenobucarb 50mg/l.
Thí nghiệm 5 Ảnh hưởng của pH
Khảo sát pH có giá trị :2,14; 5,75; 8. Được điều chỉnh bằng dung dịch H2SO4 và dung dịch NaHCO3, NaOH.
Dung dịch fenobucarb 200mg/l. 0,5ml FeSO4 1M.
E=10(V).
Khoảng cách 2 điện cực 0,5cm. Anode (+): titan. Cathode (-): titan.
Thí nghiệm 6 Khoảng cách 2 điện cực
Khoảng cách 2 điện cực được thay đổi :0,5cm, 1cm, 1,5cm. Dung dịch fenobucarb 200mg/l.
pH=2,14 (chỉnh bằng H2SO4 20%), FeSO4, E=10(V). Anode (+): titan, cathode (-): titan.
Thí nghiệm 7 Khả năng phân hủy fenobucarb với những nống độ
khác nhau 200mg/l; 100mg/l; 50mg/l
Dung dịch fenobucarb với những nồng độ khác nhau.