2.2.1. Húa chất
Cỏc loại hoỏ chất được sử dụng là loại tinh khiết phõn tớch (P.A) và cỏc dung dịch được pha chế bằng nước cất 2 lần.
Chuẩn bị cỏc dung dịch chuẩn:
∗ Dung dịch chuẩn As(III) dạng vụ cơ 0,1M (7500ppm): Cõn 0,9902g oxit As2O3, hũa tan trong 50ml dung dịch NaOH 5%, chuyển vào bỡnh định mức 100ml, thờm nước cất đến khoảng 70ml, lắc đều. Thờm tiếp 10ml dung dịch HCl 2M, định mức tới vạch bằng nước cất và lắc đều. Độ chuẩn của dung dịch Na3AsO3 ở trờn được xỏc định lại bằng phương phỏp bromat với chỉ thị metyl da cam trong mụi trường HCl 6M ở 70 – 800C.
∗ Dung dịch chuẩn gốc As(V) dạng vụ cơ 1000ppm.
∗ Dung dịch chuẩn gốc DMA(V) 1000ppm trong HCl 1M: pha từ axit (CH3)2HAsO2.
∗ Dung dịch chuẩn gốc MMA(V) 1000ppm trong HCl 1M: pha từ muối CH3NaHAsO3.1,5H2O.
Nguyễn Thị Thu Hằng CH ƯƠNG 2. THựC NGHIệM ∗ Dung dịch NaBH4 1% pha trong NaOH 0,5%: Cõn 1,0g NaBH4, hũa tan trong 10ml dung dịch NaOH 5%, chuyển vào bỡnh định mức 100ml, định mức tới vạch và lắc đều.
∗ Cỏc dung dịch HCl 6M, HCl 1M: Pha từ HCl đặc 37%(Merck). ∗ Cỏc dung dịch đệm tactric – tactrat 1M cú pH = 2, 3, 4: pha chế từ axit tactric và muối kali natri tactrat và hiệu chỉnh bằng mỏy đo pH.
∗ Cỏc dung dịch H2SO4, HNO3 và cỏc dung dịch chứa cỏc ion cần thiết cho cỏc khảo sỏt khỏc được chuẩn bị từ cỏc dung dịch đặc và muối dạng tinh thể cú độ tinh khiết cao.
2.2.2. Dụng cụ và trang thiết bị đo
-Bỡnh định mức thủy tinh loại 10ml, 25ml, 50ml, 100ml, 250ml -Cỏc loại pipet vạch, pipet bầu
-Phễu, cốc, bỡnh tam giỏc, đũa thủy tinh
-Mỏy quang phổ hấp thụ nguyờn tử (AAS) Model AA-6800 ghộp nối hệ thống HVG, hóng Shimadzhu, Nhật Bản.
-Cõn phõn tớch và cõn kĩ thuật.
-Mỏy đo pH HANNA Instrument 211
2.2.3. Cỏc phần mềm tớnh toỏn và xử lớ
-Xử lý thống kờ trờn phần mềm Origin 6.0 và MINITAB 14
-Lập trỡnh tớnh toỏn theo phương phỏp hồi qui đa biến trờn phần mềm Matlab 7.0
2.3. TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM2.3.1. Qui trỡnh phõn tớch 2.3.1. Qui trỡnh phõn tớch
2.3.1.1. Qui trỡnh phõn tớch riờng As(III)
Chuẩn bị cỏc dung dịch chứa As(III) cú nồng độ trong khoảng 0,2 – 10 ppb, điều chỉnh bằng dung dịch HCl hoặc NaOH sao cho pH của dung dịch nằm trong khoảng 1,5 – 2. Bơm mẫu As với tốc độ 6ml/phỳt, cỏc dũng chất khử
Nguyễn Thị Thu Hằng CH ƯƠNG 2. THựC NGHIệM NaBH4 1%/NaOH 0,5% và dũng HCl 6M cú tốc độ 2ml/phỳt. Cỏc điều kiện nguyờn tử húa và đo tớn hiệu độ hấp thụ quang nguyờn tử của dũng chất như sau:
- Vạch phổ: 193,7nm
- Cường độ dũng đốn: 7mA
- Chiều cao đốn nguyờn tử húa: 16mm
- Tốc độ dũng khớ chỏy: 1,8L C2H2/8L khụng khớ/phỳt Tớn hiệu thu được dưới dạng độ hấp thụ quang nguyờn tử A
2.3.1.2. Qui trỡnh phõn tớch đồng thời cỏc dạng As
Pha cỏc dung dịch chuẩn chứa cỏc dạng As (As(III), As(V), DMA, MMA) cú nồng độ trong khoảng tuyến tớnh, đo tớn hiệu cỏc dung dịch này ở cỏc điều kiện khử và nguyờn tử húa như trờn trong 5 mụi trường phản ứng là HCl 6M, HCl 1M, mụi trường đệm tactric/tactrat 1M cú pH = 2, 3, 4.
Nhập số liệu ma trận nồng độ cỏc chất và ma trận tớn hiệu đo vào phần mềm Matlab, chạy chương trỡnh tớnh toỏn ma trận hệ số hồi qui trờn phần mềm và sử dụng ma trận này để tỡm nồng độ cỏc dạng trong mẫu.
2.3.2. Cỏc thuật toỏn hồi qui đa biến
2.3.2.1. Phương phỏp bỡnh phương tối thiểu nghịch đảo (ILS)
Thuật toỏn ILS giải trong Matlab như sau:
- Nhập ma trận nồng độ C (40x4) của 40 dung dịch chuẩn chứa 4 dạng As phõn tớch vào phần mềm
- Nhập ma trận độ hấp thụ quang A (40x5) - Tớnh ma trận hệ số hồi qui theo cụng thức:
P = inv(A'*A)*A*C
- Nhập ma trận giỏ trị Ax (k*5) của k mẫu cần định phõn - Tớnh nồng độ cỏc dạng theo cụng thức
Nguyễn Thị Thu Hằng CH ƯƠNG 2. THựC NGHIệM
2.3.2.2. Phương phỏp hồi qui cấu tử chớnh (PCR)
Thuật toỏn PCR giải trong Matlab như sau:
- Nhập ma trận nồng độ C (40x4) và ma trận tớn hiệu đo A của 40 dung dịch chuẩn chứa 4 dạng As cần phõn tớch
- Bỡnh phương tập số liệu chứa biến phụ thuộc:
D = A’*A
- Sử dụng một trong 3 hàm tớnh PC để xỏc định cỏc PC. Cõu lệnh sau sử dụng hàm SVD:
[V S] = svd(D)
- Tớnh ma trận phần trăm phương sai của cỏc PC
d = diag(S)/sum(diag(S))*100
- Từ giỏ trị phần trăm phương sai của cỏc PC, căn cứ vào yờu cầu cụ thể của bài toỏn để quyết định chọn số PC làm cơ sở cho khụng gian mới của tập số liệu (n):
f = V(:,1:n)
- Chuyển đổi tập số liệu ban đầu và tớnh ma trận hệ số hồi qui:
Aj = A*f
F = inv(Aj'*Aj)*Aj'*C Fj=f*F
- Nhập ma trận biến phụ thuộc của k mẫu cần định phõn Ax(k*5) và tớnh nồng độ cỏc dạng As trong mẫu theo cụng thức:
Cx=Ax*Fj
Cỏc thao tỏc tớnh sai số và hiệu suất thu hồi sử dụng cỏc cõu lệnh tớnh toỏn thụng thường trờn ma trận trong phần mềm.
Nguyễn Thị Thu Hằng CHƯƠNG 3. KếT QUả Và THảO LUậN
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. NGHIấN CỨU CÁC ĐIỀU KIỆN TỐI ƯU XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG As(III) BẰNG PHƯƠNG PHÁP HVG – AAS
3.1.1. Khảo sỏt cỏc thụng số của mỏy đo AAS
* Chọn vạch đo phổ:
Mỗi nguyờn tố cú khả năng hấp thụ những bức xạ mà bản thõn nú phỏt ra trong quỏ trỡnh phỏt xạ. Vỡ vậy, những bức xạ này là yếu tố đặc trưng của mỗi nguyờn tố. Cỏc nguyờn tố thường cú vài vạch phổ với độ nhạy khỏc nhau, tuy nhiờn, theo cỏc tài liệu [27, 30, 32], vạch phổ ứng với bước súng 193,7nm là vạch đặc trưng và nhạy của As. Vỡ vậy, chỳng tụi định lượng As qua tớn hiệu của vạch phổ này.
* Cường độ dũng đốn catot rỗng (HCL):
HCL là nguồn phỏt xạ cộng hưởng chỉ phỏt ra tia phỏt xạ nhạy của nguyờn tố kim loại được dựng làm catot. Mỗi đốn đều cú dũng điện giới hạn cực đại của nú. Lớ thuyết và thực nghiệm đều khuyến cỏo chỉ nờn sử dụng cường độ dũng trong khoảng 60 – 85% dũng giới hạn cực đại của đốn để đảm bảo độ lặp lại và độ nhạy của phộp đo cũng như tuổi thọ của đốn. Mặt khỏc, cường độ dũng làm việc của HCL và cường độ vạch phổ cú mối quan hệ chặt chẽ với nhau. Vỡ vậy, chỳng tụi đó khảo sỏt tỡm cường độ dũng đốn làm việc phự hợp sao cho cú thể đạt được độ nhạy và độ ổn định tốt nhất. Cỏc thớ nghiệm được tiến hành với dung dịch As(III) 4ppb, mỗi mẫu đo ba lần rồi lấy kết quả trung bỡnh. Kết quả độ hấp thụ quang thu được sau khi trừ tớn hiệu mẫu trắng thu được ở bảng 2.
Bảng 2. Ảnh hưởng của cường độ dũng HCL đến độ hấp thụ quang của As (Imax=10mA)
I, mA 6 7 8
Abs 0,1307 0,1278 0,1252
RSD(%) 6,08 2,47 2,02
Kết quả trờn cho thấy chọn cường độ dũng làm việc của đốn là 7mA sẽ cho kết quả đo cú độ nhạy và độ lặp lại tốt. Kết quả khảo sỏt cũng phự hợp với
Nguyễn Thị Thu Hằng CHƯƠNG 3. KếT QUả Và THảO LUậN hướng dẫn sử dụng của đốn này. Vỡ vậy, chọn cường độ dũng làm việc của đốn HCL là 7mA cho cỏc thớ nghiệm sau.
* Chiều cao đốn nguyờn tử húa mẫu:
Đõy là một thụng số quan trọng trong phộp đo AAS. Chiều cao đốn nguyờn tử húa mẫu phải phự hợp sao cho toàn bộ chựm tia sỏng phỏt ra từ đốn HCL đều được chiếu gọn vào cửa sổ của cuvet đo. Nếu khụng chọn đỳng chiều cao đốn phự hợp, giỏ trị đo sẽ cú độ nhạy và độ ổn định kộm.
Để khảo sỏt ảnh hưởng của chiều cao đốn nguyờn tử húa đến độ hấp thụ quang của dung dịch As(III), đặt chế độ quột tự động cho mỏy với khoảng khảo sỏt chiều cao đốn là 12 – 20mm, dung dịch đo cú hàm lượng As(III) là 4ppb. Kết quả khảo sỏt cho thấy giỏ trị tối ưu của chiều cao đốn nguyờn tử húa mẫu là 16mm và giỏ trị này được sử dụng cho cỏc thớ nghiệm tiếp theo.
* Thành phần hỗn hợp khớ chỏy C2H2/khụng khớ:
Với phộp đo AAS, đõy là một đại lượng rất quan trọng. Thành phần của hỗn hợp khớ chỏy sẽ quyết định nhiệt độ ngọn lửa nguyờn tử húa và do đú quyết định quỏ trỡnh nguyờn tử húa mẫu. Vỡ vậy, để chọn được thành phần hỗn hợp khớ chỏy (tỉ lệ thể tớch của C2H2 và khụng khớ trong hỗn hợp khớ chỏy) phự hợp, chỳng tụi đó khảo sỏt với dung dịch đo chứa 4ppb As(III), tốc độ dũng khụng khớ cố định là 8L/phỳt, tốc độ dũng khớ C2H2 thay đổi trong khoảng 1 – 2,4(L/phỳt), đặt chế độ tự động khảo sỏt cho mỏy. Kết quả thực nghiệm cho thấy khi tốc độ dũng khớ C2H2 là 1,8L/phỳt sẽ thu được giỏ trị độ hấp thụ quang tốt nhất, tớn hiệu đo ổn định nhất.
3.1.2. Khảo sỏt điều kiện khử As(III) thành asin với hệ HVG
Quỏ trỡnh khử As(III) thành asin bằng chất khử NaBH4 trong mụi trường axit chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố, trong đú cỏc yếu tố cơ bản là:
• Nồng độ axit, loại axit và tốc độ bơm dũng dung dịch axit • Nồng độ và tốc độ của dũng dung dịch chất khử NaBH4 • Tốc độ dũng mẫu
Nguyễn Thị Thu Hằng CHƯƠNG 3. KếT QUả Và THảO LUậN Nồng độ cỏc chất và tốc độ bơm cỏc dũng dung dịch sẽ quyết định quỏ trỡnh pha loóng mẫu, quỏ trỡnh trộn mẫu, phản ứng và vận chuyển mẫu tới cuvet đo. Vỡ vậy, chỳng tụi lần lượt khảo sỏt từng yếu tố trờn nhằm tỡm ra điều kiện tối ưu cho quỏ trỡnh khử As(III) thành asin trong hệ HVG sử dụng chất khử là NaBH4.
3.1.2.1. Nồng độ và bản chất của dung dịch axit
Đối với dũng axit, chỳng tụi chỉ khảo sỏt ảnh hưởng của nồng độ và bản chất axit sử dụng, khụng khảo sỏt tốc độ dũng này do dũng axit và dũng NaBH4 cú cựng tốc độ bơm nờn chỉ khảo sỏt tốc độ dũng khi nghiờn cứu điều kiện tối ưu cho dũng NaBH4.
* Ảnh hưởng của nồng độ axit (nồng độ H+) tới quỏ trỡnh khử As(III) thành asin:
Để xỏc định được nồng độ H+ tối ưu cho quỏ trỡnh phõn tớch, chỳng tụi tiến hành thớ nghiệm với cỏc điều kiện sau:
- Dũng mẫu: As(III) 4ppb, tốc độ dũng 5ml/phỳt
- Dũng chất khử NaBH4 chứa NaBH4 1% trong NaOH 0,5%, tốc độ dũng 2ml/phỳt
- Dũng axit: sử dụng HCl cú nồng độ biến thiờn trong khoảng 1M – 10M, cú cựng tốc độ với dũng chất khử.
Cỏc dung dịch được đo 3 lần để lấy kết quả độ hấp thụ trung bỡnh; dung dich so sỏnh là mẫu trắng. Kết quả khảo sỏt độ hấp thụ quang và độ lệch chuẩn tớn hiệu đo thu được như trong bảng 3 và biểu diễn trờn đồ thị hỡnh 5.
Bảng 3. Ảnh hưởng của nồng độ H+ tới độ hấp thụ quang của As
CH+, M 1 4 5 6 8 10
Abs 0,1089 0,1225 0,1263 0,1275 0,1294 0,1311
Nguyễn Thị Thu Hằng CHƯƠNG 3. KếT QUả Và THảO LUậN 0 2 4 6 8 10 0,105 0,110 0,115 0,120 0,125 0,130 0,135 Abs CH+, M
Hỡnh 5. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang của As vào nồng độ H+
Kết quả khảo sỏt cho thấy, nồng độ H+ càng lớn thỡ hiệu suất khử càng cao, quỏ trỡnh khử As(III) thành asin xảy ra càng hoàn toàn. Khi tiếp tục tăng nồng độ H+ trờn 5M thỡ độ hấp thụ quang tăng chậm. Cú thể núi, nồng độ H+ càng cao thỡ càng cú khả năng tăng độ nhạy của phộp đo, tuy nhiờn nồng độ quỏ cao sẽ gõy khú khăn cho quỏ trỡnh tiến hành thớ nghiệm và tốn nhiều húa chất mà độ nhạy tăng khụng đỏng kể. Kết hợp giữa cỏc yờu cầu thớ nghiệm, chỳng tụi lựa chọn dung dịch cú nồng độ H+ 6M để tiến hành hidrua húa As(III).
* Ảnh hưởng của loại axit tới quỏ trỡnh khử As(III) thành asin:
Tiến hành khảo sỏt với một số axit khỏc nhau để chọn axit thớch hợp nhất cho quỏ trỡnh xỏc định As(III), chỳng tụi vẫn sử dụng dung dịch mẫu cú chứa 4ppb As(III), cỏc điều kiện đo như đó chọn. Kết quả nghiờn cứu trờn 4 loại axit thu được ở bảng 4.
Như vậy, nếu xem hiệu suất hiđrua húa khi dựng dung dịch HCl là 100 % thỡ khi dựng H2SO4 với nồng độ H+ gần như nhau sẽ đạt được hiệu suất khử là 98%. Nếu dựng dung dịch HNO3 làm mụi trường với cựng nồng độ H+ cho kết quả thấp hơn hẳn. Điều này cú thể do ion NO3- đó phản ứng với một lượng NaBH4 trong hỗn hợp khử nờn khụng cũn đủ để khử As(III) thành asin, gõy sai số õm. Chỳng tụi cũng đó tiến hành khảo sỏt khả năng khử As(III) thành asin
Nguyễn Thị Thu Hằng CHƯƠNG 3. KếT QUả Và THảO LUậN trong cỏc mụi trường phản ứng cú nồng độ CH3COOH từ 5M lờn tới 10M nhưng hiệu suất khử vẫn dưới 60%. Như vậy chỉ cú thể dựng dung dịch axit HCl 6M hoặc H2SO4 3M làm mụi trường phản ứng cho quỏ trỡnh khử As(III) thành asin bằng chất khử NaBH4. Tuy nhiờn, thực tế cỏc mẫu nước phõn tớch thường được axit húa bằng HCl thay vỡ dựng H2SO4 nờn chỳng tụi lựa chọn axit HCl 6M làm mụi trường khử trong phộp đo As.
Bảng 4. Ảnh hưởng của bản chất axit đến độ hấp thụ quang của dung dịch As(III)
Dung dịch HCl 6M H2SO4 3M ([H+] = 6M) HNO3 6M H3PO4 6M ([H+] ≅ 6M) Abs 0,1281 0,1257 0,0713 0,1071 RSD(%) 1,14 2,37 4,05 1,22 %Abs 100 98 56 84
3.1.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ, tốc độ bơm NaBH4 và tốc độ bơm mẫu đến khả năng khử As(III) thành asin
3.1.2.1.1. Ảnh hưởng của nồng độ NaBH4 tới khả năng khử As(III) thành asin
Trong mụi trường thớch hợp, NaBH4 đúng vai trũ là chất khử đưa cỏc dạng As từ những trạng thỏi oxi húa cao về dạng asin hay cỏc dẫn xuất metylasin tương ứng [32]. Vỡ vậy, nồng độ NaBH4 trong dũng chất khử là một yếu tố ảnh hưởng khụng nhỏ tới kết quả đo độ hấp thụ quang của dung dịch.
Để tỡm nồng độ thớch hợp cho quỏ trỡnh khử As(III) thành asin bằng chất khử NaBH4, chỳng tụi khảo sỏt ảnh hưởng của nồng độ chất này trong khoảng giỏ trị 0,1 – 4% lờn kết quả đo tớn hiệu dung dịch As(III) 4ppb, cỏc điều kiện đo giữ nguyờn như đó chọn ở trờn, tốc độ dũng NaBH4 và dũng mẫu lần lượt là 2ml/phỳt và 5ml/phỳt. Kết quả đo được trỡnh bày trong bảng 5 và biểu diễn trờn đồ thị hỡnh 6.
Bảng 5. Ảnh hưởng của nồng độ NaBH4 tới độ hấp thụ quang của dung dịch As(III)
Nguyễn Thị Thu Hằng CHƯƠNG 3. KếT QUả Và THảO LUậN Kết quả
đo
Nồng độ NaBH4, % (trong NaOH 0,5%)
0,1 0,25 0,5 1 2 4 Abs 0,0861 0,1126 0,1268 0,1274 0,1277 0,1250 RSD% 4,2 5,5 2,8 3,5 4,9 7,2 0 1 2 3 4 0,08 0,09 0,10 0,11 0,12 0,13 Abs CNaBH 4 , % trong NaOH 0,5%
Hỡnh 6. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang của dung dịch As(III) theo nồng độ NaBH4
3.1.2.1.2. Ảnh hưởng của tốc độ dũng NaBH4 tới khả năng khử As(III) thành asin
Như đó đề cập ở trờn, tốc độ bơm cỏc dũng cũng cú những ảnh hưởng phức tạp tới kết quả đo tớn hiệu dung dịch. Dũng chất khử NaBH4 và dũng axit cú cựng tốc độ nờn ảnh hưởng của tốc độ dũng này tới kết quả đo rất đỏng được quan tõm.
Để xỏc định tốc độ tối ưu cho dũng này bằng phương phỏp đơn biến, chỳng tụi đó khảo sỏt khả năng khử dung dịch As(III) 4ppb thành asin trong cỏc dũng NaBH4 1% pha trong NaOH 0,5% cú tốc độ biến thiờn trong khoảng 1 – 3,5ml/phỳt, tốc độ dũng mẫu cố định 5ml/phỳt. Kết quả đo được cho trong bảng 6 và biểu diễn trờn đồ thị hỡnh 7.
Nguyễn Thị Thu Hằng CHƯƠNG 3. KếT QUả Và THảO LUậN
Bảng 6. Ảnh hưởng của tốc độ dũng NaBH4 tới độ hấp thụ quang của dung dịch As(III)