hữu cơ
Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử để phân tích dạng thuỷ ngân vô cơ và thuỷ ngân hữu cơ trong trầm tích.
- Dạng thuỷ ngân hữu cơ được chiết bởi clorofom (CHCl3) tiếp đó giải chiết bằng natrithiosunfat (Na2S2O3) sau đó được xác định bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử với kỹ thuật hoá hơi lạnh.
- Dạng thuỷ ngân vô cơ được tính toán dựa vào hàm lượng thuỷ ngân tổng số và thuỷ ngân hữu cơ. Để xác định thuỷ ngân tổng số trong trầm tích, mẫu được vô cơ hoá bằng phương pháp vô cơ hoá ướt sử dụng hỗn hợp các axit, sau đó xác định bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử với kỹ thuật hoá hơi lạnh.
Quy trình phân tích các dạng thuỷ ngân được mô tả theo sơ đồ sau: - Phân tích hàm lượng thuỷ ngân tổng số
Mẫu trầm tích (1 gam)
Mẫu được vô cơ hoá
2 ml HNO3, HClO4
5 ml H2SO4
Đun nóng trong 30 phút ở 2500C
Làm lạnh
Sơ đồ 1.1. Quy trình phân tích hàm lượng thuỷ ngân tổng số trong trầm tích
- Phân tích thuỷ ngân hữu cơ
Sơ đồ 1.2. Quy trình phân tích dạng thuỷ ngân hữu cơ 1.3.1. Nguyên tắc của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử
Cơ sở lý thuyết của phương pháp đo phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) là dựa trên sự hấp thụ năng lượng (bức xạ đơn sắc) của nguyên tử tự do của một nguyên tố ở trạng thái hơi (khí) khi chiếu chùm tia bức xạ đơn sắc qua đám mây hơi nguyên tử tự do của nguyên tố ấy trong môi trường hấp thụ. Môi trường hấp thụ chính là đám hơi nguyên tử tự do của mẫu phân tích. Do đó muốn thực hiện phép đo phổ hấp thụ nguyên tử của một nguyên tố cần phải
Mẫu trầm tích (5 gam) Cặn Dung dịch 20 ml CHCl3 Lắc 2 phút Ly tâm Dịch chiết 1 20 ml CHCl3 Lắc 2 phút Ly tâm Cặn 3 ml Na2S2O3 Lắc 2 phút Ly tâm Dung dịch 2 ml HNO3 - HClO4 5 ml H2SO4 2500C, 300C Định mức 50 ml Dịch chiết 2 Dịch chiết pha CHCl3 AAS Khử bằng SnCl2
thực hiện các quá trình sau:
1. Chọn các điều kiện và một loại trang bị phù hợp để chuyển mẫu phân tích từ trạng thái ban đầu (rắn hay dung dịch) thành trạng thái hơi của các nguyên tử tự do. Đó chính là quá trình hoá hơi và nguyên tử hoá mẫu.
2. Chiếu chùm tia bức xạ đặc trưng của nguyên tố cần phân tích qua đám hơi nguyên tử tự do vừa điều chế được ở trên. Các nguyên tử của nguyên tố cần xác định trong đám hơi sẽ hấp thụ những tia bức xạ nhất định và tạo ra phổ hấp thụ của nó.
3. Tiếp đó, nhờ một hệ thống máy quang phổ người ta thu toàn bộ chùm sáng, phân ly và chọn một vạch phổ hấp thụ của nguyên tố cần phân tích để đo cường độ của nó. Cường độ đó chính là tín hiệu hấp thụ. Trong một giới hạn nhất định của nồng độ C, giá trị cường độ này phụ thuộc vào nồng độ C của nguyên tố ở trong mẫu phân tích theo phương trình:
Aλ = k. Cb (I)
Trong đó: Aλ: Cường độ của vạch phổ hấp thụ. k: Hằng số thực nghiệm
C: Nồng độ nguyên tố cần xác định trong mẫu đo phổ. b: Hằng số bản chất (0<b≤1)
Hằng số thực nghiệm k phụ thuộc vào tất cả các điều kiện hoá hơi và nguyên tử hoá mẫu nhất định đối với mỗi hệ thống máy AAS và với các điều kiện đã chọn cho mỗi phép đo; b là hằng số bản chất phụ vào từng vạch phổ của từng nguyên tố. Giá trị b = 1 khi nồng độ C nhỏ, khi C tăng thi b nhỏ xa dần giá trị 1.
Như vậy mối quan hệ giữa Aλ và C là tuyến tính trong một khoảng nồng độ nhất định. Khoảng nồng độ này được gọi là khoảng tuyến tính của
phép đo. Trong phép đo AAS, phương trình (I) ở trên chính là phương trình cơ sở để định lượng một nguyên tố.
1.3.2. Trang bị của phép đo
Dựa vào nguyên tắc của phép đo, ta có thể mô tả hệ thống trang bị của thiết bị đo phổ AAS theo sơ đồ sau:
(1) (2) (3) (4)
Sơ đồ 1.3. Sơ đồ nguyên tắc của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử
(1)- Nguồn phát chùm tia bức xạ cộng hưởng của nguyên tố cần phân tích. Đó có thể là đèn catot rỗng (Hollow Cathode Lamp-HCL), hay đèn phóng điện không điện cực (Electrodeless Discharg Lamp - EDL), hoặc nguồn phát bức xạ liên tục đã được biến điệu.
(2) - Hệ thống nguyên tử hoá mẫu. Hệ thống này được chế tạo theo ba loại kỹ thuật nguyên tử hoá mẫu. Đó là:
- Nguyên tử hoá mẫu bằng ngọn lửa đèn khí (F-AAS) - Nguyên tử hoá mẫu không dùng ngọn lửa (ETA-AAS) - Hoá hơi lạnh (CV-AAS).
(3) Bộ phận đơn sắc (hệ quang học) có nhiệm vụ thu, phân ly và chọn tia sáng (vạch phổ) cần đo hướng vào nhân quang điện để phát hiện và đo tín hiệu hấp thụ AAS của vạch phổ.
(4) Bộ phận khuyếch đại và chỉ thị tín hiệu AAS. Phần chỉ thị tín hiệu có thể là:
- Điện kế chỉ thị tín hiệu AAS. - Bộ tự ghi để ghi các pic hấp thụ - Bộ chỉ thị hiện số - Bộ máy in Nguồn sáng nguyên tử Hệ thống hóa mẫu Bộ phận đơn sắc Bộ phận khuếch đại
- Máy tính với màn hình hiển thị dữ liệu, phần mềm xử lý số liệu và điều khiển toàn bộ máy đo.
Sơ đồ 1.4. Sơ đồ nguyên tắc cấu tạo của máy quang phổ hấp thụ nguyên tử
Trong ba kỹ thuật nguyên tử hoá mẫu thì kỹ thuật F-AAS ra đời sớm hơn. Theo kỹ thuật này, người ta dùng nhiệt ngọn lửa đèn khí để nguyên tử hoá mẫu. Do đó mọi quá trình xảy ra trong khi nguyên tử hoá mẫu đều phụ thuộc vào đặc tính của ngọn lửa và nhiệt độ là yếu tố quyết định hiệu suất nguyên tử hoá mẫu phân tích.
Trong kỹ thuật nguyên tử hoá không ngọn lửa (ETA - AAS), người ta dùng năng lượng nhiệt của một nguồn năng lượng phù hợp để nung nóng, hoá hơi và nguyên tử hoá mẫu phân tích trong ống cuvet graphit hay thuyền tantan (Ta). Nguồn năng lượng thường được dùng hiện nay là dòng điện có cường độ cao, từ 50-600A và thế thấp khoảng 12V. Dưới tác dụng của nguồn năng lượng này, cuvet chứa mẫu phân tích sẽ được nung đỏ tức khắc và mẫu sẽ được hoá hơi và nguyên tử hoá. Kỹ thuật này có độ nhạy cao, gấp hàng nghìn lần kỹ thuật F-AAS, hơn nữa lượng mẫu tiêu tốn ít, không tốn nhiều hoá chất. Tuy nhiên, do độ nhạy rất cao nên đòi hỏi trong quá trình chuẩn bị mẫu phải rất cẩn thận để tránh nhiễm bẩn mẫu.
Với kỹ thuật hoá hơi lạnh người ta thường dùng chất khử để chuyển nguyên tố cần phân tích về dạng nguyên tử tự do hoặc hyđrua sau đó được dẫn tới cuvet thạch anh bằng khí trơ argon và dùng nhiệt của ngọn lửa để phân huỷ hợp chất đó thành hyđro và nguyên tử tự do.
1.3.3. Nguyên lý của kỹ thuật hoá hơi lạnh
Quang phổ hấp thụ nguyên tử sử dụng kỹ thuật hóa hơi lạnh dựa trên việc chuyển các nguyên tố cần xác định về dạng hợp chất hydrua hoặc nguyên
Nguồn sáng (HCL) Hệ thống nguyên tử hoá mẫu Detector Bộ đơn sắc Hệ điện tử Bộ phận hiển thị kết quả Mẫu O2 C2H2
Se, Te, Sb, Sn, Bi… là những nguyên tố dễ chuyển về dạng nguyên tử tự do hoặc hợp chất hydrua dễ bay hơi nhờ phản ứng với các chất khử mạnh nào đó. Các chất khử được dùng là: bột kẽm, bột magie, NaBH4, SnCl2…
Đối với nguyên tố thuỷ ngân, trong dung dịch nó là cation, sau khi được khử thành thủy ngân nguyên tố sẽ bay hơi thành các nguyên tử tự do ngay ở nhiệt độ phòng. Người ta thường dùng hai chất khử là NaBH4 và SnCl2, phản ứng xảy ra như sau:
2 NaBH4 + Hg2+ → Hg + B2H6↑ + H2↑ + 2 Na+ SnCl2 + Hg2+ → Sn4+ + Hg0 + 2 Cl
Nghiên cứu này sử dụng hệ thống máy quang phổ hấp thụ nguyên tử kỹ thuật hóa hơi lạnh, cụ thể là máy phân tích thủy ngân bán tự động Model Hg 201 - Semi.
Nguyên tắc hoạt động của thiết bị được mô tả như sau:
Hình 1.2. Mô hình hệ thống hóa hơi lạnh cải tiến
Thiết bị được trang bị thêm một van 4 chiều và bơm tuần hoàn như hình trên. Hơi thuỷ ngân được tạo ra từ bình phản ứng được làm giàu bằng cách chạy tuần hoàn trong hệ với khoảng thời gian nhất định (thông thường là 30 giây). Hơi axit được bẫy nhờ bình chứa dung dịch NaOH 5M. Sau đó, quay van bốn chiều một góc 90°, hơi thuỷ ngân được dẫn qua bình đá để loại
Nhờ hệ thống này được cải tiến, hơi thuỷ ngân được tích luỹ và đo tức thời nên tín hiệu thu được pic sắc nét, tổng số tín hiệu trên nhiễu nên được nâng cao.
Hình 1.3. Phổ hấp thụ của thủy ngân trước và sau khi cải tiến thiết bị
Hình 1.5. Phổ hấp thụ của thủy ngân nồng độ từ 0,1 đến 2,0 μg/l
Hình 1.6. Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử kỹ thuật hóa hơi lạnh phân tích thủy ngân bán tự động Model HG - 201
Mẫu phân tích (5 ml) được đưa vào bình phản ứng, sau đó thêm 1 ml SnCl2 10% để khử ion thuỷ ngân về thuỷ ngân nguyên tử ở trạng thái hơi theo phương trình.
Hg2+ + SnCl2 Sn4+ + Hg0 + 2Cl-
Hơi thuỷ ngân được tạo ra từ bình phản ứng được làm giàu bằng cách chạy tuần hoàn trong hệ với khoảng thời gian nhất định (thông thường là 30
giây), hơi axit kéo theo được loại bỏ nhờ bình chứa dung dịch NaOH 1M. Sau đó, quay van bốn chiều một góc 90°, hơi thuỷ ngân được dẫn qua bình đá để loại bỏ hơi nước rồi chuyển vào cuvet thạch anh nằm trên chùm sáng của đèn catot rỗng và đo thủy ngân tại bước sóng 253,7 nm.
Cũng như các phương pháp phân tích khác, phương pháp phân tích quang phổ hấp thụ nguyên tử cũng có những ưu, nhược điểm nhất định. Đó là:
- Ưu điểm:
+ Độ nhạy cao: độ nhạy và độ chọn lọc tương đối cao. Phân tích hàm lượng vết và siêu vết.
+ Tín hiệu thu pic sắc nét, độ lặp lại cao. + Chi phí thấp.
- Nhược điểm:
+ Do độ nhạy cao, phân tích hàm lượng vết và siêu vết nên ảnh hưởng lớn bởi yếu tố nhiễm bẩn; hóa chất phải tinh khiết, dụng cụ phải đảm bảo cho phân tích.
Hàm lượng tổng thuỷ ngân, thuỷ ngân vô cơ, thuỷ ngân hữu cơ trong trầm tích được xác định bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử với kỹ thuật hoá hơi lạnh.
Chương 2
THỰC NGHIỆM
2.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
2.1.1. Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu, xây dựng phương pháp phân tích hàm lượng tổng thủy ngân bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử và chiết các dạng thủy ngân hữu cơ trong mẫu trầm tích bằng kỹ thuật chiết chọn lọc.
- Ứng dụng quy trình phân tích vừa xây dựng xác định và đánh giá hàm lượng tổng thủy ngân, thủy ngân hữu cơ, thủy ngân vô cơ trong một số mẫu trầm tích thu được tại một số khu vực trên địa bàn bốn tỉnh miền Trung từ Hà Tĩnh đến Thừa Thiên Huế.
2.1.2. Nội dung nghiên cứu
- Khảo sát các điều kiện đo phổ hấp thụ nguyên tử của Hg.
- Xây dựng quy trình xử lý mẫu và phân tích thủy ngân tổng số trong mẫu trầm tích.
- Xây dựng quy trình chiết chọn lọc các dạng thủy ngân hữu cơ trong trầm tích
- Đánh giá phương pháp phân tích:
+ Xây dựng đường chuẩn xác định thủy ngân,
+Xác định giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của phương pháp, + Đánh giá độ lặp lại và độ chính xác của phương pháp.
- Phân tích định lượng hàm lượng tổng thủy ngân, thủy ngân hữu có và thủy ngân vô cơ trong các mẫu trầm tích theo phương pháp xây dựng được.
- Xử lý và đánh giá kết quả theo các phương pháp phân tích thống kê.
2.2. Phương pháp nghiên cứu
2.2.1. Phương pháp tổng hợp tài liệu
- Tìm và nghiên cứu các tài liệu liên quan đến thủy ngân.
thủy ngân, thủy ngân vô cơ và hữu cơ.
2.2.2. Phương pháp thực nghiệm
- Thu thập mẫu tại 4 địa điểm đã chọn. - Xử lý sơ bộ mẫu.
- Xác định hàm lượng tổng thủy ngân trong các mẫu.
2.2.3. Phương pháp xử lý số liệu
- Xử lý số liệu thu được bằng phần mềm Microsoft Excel 2010.
2.3. Các thông số đánh giá độ tin cậy của phương pháp phân tích
2.3.1. Giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ)
Giới hạn phát hiện (LOD) là nồng độ thấp nhất của chất phân tích mà hệ thống phân tích còn cho tín hiệu phân tích khác có nghĩa so với tín hiệu của mẫu trắng hay tín hiệu của đường nền. Giới hạn định lượng (LOQ) là nồng độ thấp nhất của chất phân tích mà phương pháp định lượng được với tín hiệu phân tích có ý nghĩa định lượng so với tín hiệu của mẫu trắng hay tín hiệu của đường nền, có độ chính xác và độ đúng chấp nhận được trong điều kiện thử nghiệm.
Sau khi xây dựng đường chuẩn, tín hiệu phân tích (y) được coi là tuyến tính với nồng độ dung dịch chuẩn (x) trong khoảng tuyến tính. Phương trình đường chuẩn có dạng:
(2.3.1) Trong đó:
y là tín hiệu phân tích. x là nồng độ chất phân tích.
b là hệ số góc của phương trình đường chuẩn.
Mô hình này được áp dụng để tính hệ số góc b và giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) như sau [48, 49]:
(2.3.3) Trong đó: Trong đó:
Sb là độ lệch chuẩn của tín hiệu đường nền (hay mẫu trắng) thu được sau nb
thí nghiệm lặp lại (thường là từ 7-10 thí nghiệm).
2.3.2. Độ chụm (độ lặp lại) của phương pháp
Độ lặp lại đặc trưng cho mức độ gần nhau giữa các giá trị riêng lẻ xi khi tiến hành trên các mẫu thử giống hệt nhau, được tiến hành bằng một phương pháp phân tích, trong cùng điều kiện thí nghiệm (người phân tích, trang thiết bị, phòng thí nghiệm) trong các khoảng thời gian ngắn [50].
2.3.3. Độ đúng (độ thu hồi) của thiết bị, của phương pháp
Độ đúng chỉ mức độ gần nhau giữa giá trị trung bình của dãy lớn các kết quả thí nghiệm và các giá trị quy chiếu được chấp nhận. Do đó, thước đo độ đúng thường đánh giá qua sai số tương đối hay bằng phương pháp xác định độ thu hồi [50, 51].
Độ thu hồi (H):
(2.3.4) Trong đó:
H: Độ thu hồi (%)
Ctt: Nồng độ thực tế của mỗi chất phân tích thu được (tính theo đường chuẩn)
Clt: Nồng độ lý thuyết của mỗi chất phân tích tính toán từ lượng chuẩn thêm vào. Ngoài ra, độ đúng của phương pháp còn được khẳng định qua việc so sánh kết quả thực nghiệm với kết quả đo của một phương pháp đối chứng tiêu chuẩn khác.
2.4. Lấy mẫu và bảo quản mẫu
chuyên dụng Dredge, lấy khoảng 5000 gam mẫu cho vào bình teflon, mẫu được bảo quản lạnh trong khi vận chuyển. Sau đó mẫu được tiền xử lý bằng phương pháp đông khô rồi nghiền nhỏ và sàng qua rây có đường kính lỗ 2mm để loại bỏ đá, sạn, rễ cây..., mẫu được rải đều thành lớp mỏng hình tròn trên tấm polietilen sạch và chia nhỏ theo phương pháp ¼ hình nón đến khối lượng cần thiết để thu được mẫu đồng đều dùng cho phân tích.
2.5. Trang thiết bị và hóa chất phục vụ nghiên cứu
2.5.1. Trang thiết bị
- Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử kỹ thuật hóa hơi lạnh phân tích thủy ngân bán tự động Model HG-201, Sanso Seisakusho Co., Tokyo, Nhật Bản.
- Cân phân tích chính xác đến 10-5g của hãng Satorius. - Máy li tâm Kobuta tốc độ tối đa 12000 vòng/phút. - Bộ cất thuỷ ngân bằng thuỷ tinh.
- Bình phản ứng 50 ml, cao 120 mm. - Bình định mức 50 ml, 100 ml, 500 ml, 1000 ml.