3 CHƯƠNG : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.2 Khảo sát và tối ưu điều kiện chiết trên cơ sở áp dụng phương pháp
lỏng – lỏng hai giai đoạn
3.2.1 Khảo sát dung môi chiết
Sử dụng những điều kiện của thiết bị đã tối ưu ở mục 3.1, các điều kiện về chiết lỏng – lỏng được khảo sát. Đầu tiên đó là khảo sát lựa chọn dung mơi chiết, sáu loại dung môi là: n-pentan, n-hexan, isooctan, CCl4, 1-octanol và 1-hexanol với cùng thể tích 5 ml được sử dụng cho quy trình chiết lỏng – lỏng hai giai đoạn nói trên để lựa chọn dung mơi phù hợp cho việc chiết các phenol. Kết quả thu được (bảng 3.1), hiệu
suất thu hồi sau khi chiết với sáu dung môi với nồng độ các phenol trong mẫu là 0,04 mg/L, hệ số làm giàu lý thuyết là 1500 lần.
Khi chiết bằng nhóm dung mơi thứ nhất là các dung mơi khơng phân cực và ít
phân cực (n-pentan, n-hexan, isooctan, CCl4), kết quả chiết chỉ được 2-NP và 2-M-4,6-DNP và khi chiết bằng nhóm dung mơi thứ hai là các dung mơi phân cực
hơn như 1-hexanol và 1-octanol thì chiết được cả bốn hợp chất. Kết quả này là do các phenol tan tương đối tốt trong dung môi phân cực. Bởi bậy, sau giai đoạn chiết 1 thì hầu hết các phenol chuyển sang pha hữu cơ. Tuy nhiên, hợp chất 2-M-4,6-DNP lại có
xu hướng tan tốt trong các dung môi không phân cực. Do vậy, hiệu suất chiết của 2-M-4,6-DNP rất thấp (4,4% và 10,7%).
Bảng 3.1. Khảo sát hiệu suất chiết các phenol bởi các đơn dung mơi chiết Chất phân tích Chất phân tích
Hiệu suất chiết (%)
n-pentan n-hexan isooctan CCl4 1-octanol 1-hexanol
Phenol - - - - 24,6 19,6
4-NP - - - - 43,6 23,8
2-NP 44,6 45,3 40,8 38,8 51,4 37,3
2-M-4,6-DNP 50,9 48,4 42,0 43,4 10,7 4,4
Từ các kết quả khảo sát đơn dung mơi, để có thể tìm ra điều kiện có thể dung hịa được hiệu suất chiết khả thi tốt nhất cho cả bốn hợp chất phenol, hệ đa dung môi chiết được khảo sát với ý tưởng kết hợp một dung mơi ở nhóm khơng phân cực, kém phân cực và một dung mơi ở nhóm phân cực thành một hệ hai dung mơi. Các hệ đa dung môi chiết được lựa chọn những đơn dung mơi chiết có hiệu quả chiết tốt nhất: n-pentan và n-hexan (hiệu quả chiết 2-NP và 2-M-4,6-DNP tốt hơn isooctan và CCl4) kết hợp với 1-octanol (hiệu quả chiết 4 hợp chất phenol tốt hơn 1-hexanol).
Bảng 3.2. Khảo sát ảnh hưởng của hệ dung môi đến hiệu suất chiết các phenol
Chất phân tích
Hiệu suất chiết (%)
n-pentan/1-octanol n-hexan/1-octanol
Phenol 15,6 15,5
4-NP 57,8 56,4
2-NP 46,2 51,0
Các hệ dung môi được khảo sát là hỗn hợp dung mơi n-pentan/1-octanol và hỗn hợp n-hexan/1-octanol, thể tích hỗn hợp dung mơi chiết là 5 ml với tỉ lệ dung môi chiết là 50/50 (v/v). Kết quả thu được trên bảng 3.2 cho thấy hiệu suất chiết của hai hệ dung môi với phenol và 4-NP cho các kết quả gần tương tự nhau. Điều này là do khả năng chiết phenol và 4-NP phụ thuộc chủ yếu vào 1-octanol (theo kết quả khảo sát đơn dung môi) nên với cùng một lượng 1-octanol khơng đổi thì hai hỗn hợp cho hiệu quả chiết phenol và 4-NP gần như tương tự nhau. Tuy nhiên, hệ dung môi chiết
n-hexan/1-octanol cho hiệu suất chiết 2-NP và 2-M-4,6-DNP cao hơn hệ n-pentan/1-octanol, mặt khác tại Việt Nam việc đặt mua n-hexan thuận lợi hơn so với
n-pentan do điểm sôi của n-pentan thấp (~36oC) nên dễ bị hao hụt trong quá trình vận chuyển. Bởi vậy, hệ dung môi n-hexan/1-octanol đã được lựa chọn làm điều kiện hệ dung môi chiết để tiến hành các khảo sát tiếp theo.
3.2.2 Khảo sát tỉ lệ các thành phần của dung môi chiết
Sau khi chọn được dung môi chiết là hệ hai dung môi n-hexan và 1-octanol, cần thiết phải khảo sát và tối ưu hóa tỉ lệ thành phần của hỗn hợp dung môi này, tỉ lệ dung môi n-hexan và 1-octanol trong hệ dung môi chiết (n-hexan % : 1-octanol %) thay đổi từ 20:80, 30:70, 40:60, 50:50, 60:40, 70:30 đến 80:20.
Kết quả trên hình 3.9 cho thấy khi tỉ lệ dung mơi n-hexan trong hỗn hợp tăng lên và tỉ lệ 1-octanol giảm đi thì: Hiệu quả chiết phenol và 4-NP giảm mạnh (hiệu suất chiết phenol giảm từ 17,3% xuống 13,1%, hiệu suất chiết 4-NP giảm từ 53,4% xuống 24,1%), điều này hoàn toàn phù hợp với kết quả khảo sát đơn dung môi ở khảo sát trên là n-hexan ảnh hưởng tiêu cực tới hiệu quả chiết phenol và 4-NP. Hiệu suất chiết 2-NP dao động trong khoảng từ 50 đến 60% trong các khảo sát. Hiệu suất chiết của 2-M-4,6-DNP có xu hướng tăng (từ 16,6% đến 59,9%) nhưng đến tỉ lệ 70:30 và 80:20 thì khơng thay đổi lớn. Kết quả là điều kiện tỉ lệ n-hexan (%)/1-octanol (%) là 60:40 theo thể tích hay 60:40 (v/v) cho hiệu suất chiết tốt nhất và điều kiện này được chọn làm điều kiện tỉ lệ các thành phần của dung mơi chiết.
Hình 3.9. Biểu đồ khảo sát tỉ lệ các thành phần của dung môi chiết đến hiệu quả chiết các phenol
3.2.3 Khảo sát thể tích dung mơi chiết
Sau khi chọn được tỉ lệ các thành phần của dung mơi chiết, thể tích dung mơi chiết tiếp tục được khảo sát với khoảng khảo sát từ 2,5ml đến 17,5ml (hình 3.10).
0 10 20 30 40 50 60 70 20:80 30:70 40:60 50:50 60:40 70:30 80:20 Hi ệu suất chiế t (% )
Tỉ lệ n-hexan (%) / 1-octanol (%) trong hệ hai dung môi chiết
Khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ các thành phần của hệ dung môi hai thành phần đến hiệu quả chiết các phenol
Phenol 4-NP 2-NP 2-M-4,6-DNP 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 Hi ệu xuất chiế t phenol (%) Hi ệu suất chiế t ba dẫn xuất nit rophenol (%)
Thể tích dung mơi chiết (ml)
Khảo sát ảnh hưởng của thể tích dung mơi đến hiệu suất chiết các phenol
Theo cơng thức (9) thì khi tăng thể tích dung môi chiết: hiệu quả chiết ở giai đoạn 1 của quá trình chiết sẽ tốt lên và hiệu quả chiết ở giai đoạn 2 kém đi. Kết quả thu được khi tăng thể tích dung mơi chiết đến 10 ml thì hiệu suất chiết tăng do hiệu ứng tăng hiệu suất chiết ở giai đoạn 1 lớn hơn so với hiệu ứng giảm hiệu suất chiết ở giai đoạn 2 nên hiệu quả chiết của cả quá trình tăng. Tuy nhiên, thể tích dung mơi chiết lớn hơn 10ml thì hiệu ứng tăng hiệu suất chiết ở giai đoạn 1 nhỏ hơn so với hiệu ứng giảm hiệu suất chiết ở giai đoạn 2 nên hiệu quả chiết của cả q trình có xu hướng giảm.
Bởi vậy thể tích dung mơi chiết là 10ml cho hiệu quả chiết tốt nhất, điều kiện này được lựa chọn là điều kiện thể tích chiết cho các khảo sát tiếp theo. Điều kiện này tương ứng với tỉ lệ thể tích dung mơi chiết / thể tích mẫu phân tích là 1:15 và tỉ lệ thể tích dịch chiết (dung dịch NaOH 0,1M) / thể tích dung mơi chiết là 1:100.
3.2.4 Khảo sát thời gian lắc chiết trong giai đoạn 1 và giai đoạn 2
Trong quy trình chiết hai giai đoạn đề xuất thì thời gian lắc chiết bao gồm thời gian lắc tay phễu chiết ở giai đoạn 1 và thời gian lắc vortex lọ thủy tinh đáy nhọn ở giai đoạn 2. Các thời gian này được khảo sát lần lượt với các giá trị khảo sát là 1 phút, 2 phút, 3 phút và 4 phút. Kết quả thu được và biểu diễn trên Hình 3.11 và 3.12.
Hình 3.11. Biểu đồ khảo sát ảnh hưởng thời gian lắc chiết giai đoạn 1 đến hiệu suất chiết các phenol
14,5 15,0 15,5 16,0 16,5 17,0 17,5 18,0 50,0 55,0 60,0 65,0 70,0 75,0 80,0 1 2 3 4 Hi ệu suất chiế t phenol (%) Hi ệu suất chiế t ba dẫn xuất nit rophenol (%)
Thời gian chiết (phút)
Thời gian lắc chiết giai đoạn 1
Ở giai đoạn lắc chiết 1, khi tăng thời gian lắc chiết thì hiệu suất chiết tăng lên. Tuy nhiên, khi tăng thời gian đến 3 phút và 4 phút thì sự tăng hiệu suất chiết này không đáng kể. Điều này là do sau 3 phút thì sự phân bố của các phenol lên pha nước và hữu cơ đã hoàn tồn và khơng có sự chuyển dịch bất thường nào khác. Bởi vậy, thời gian 3 phút được chọn cho thời gian lắc phễu chiết ở giai đoạn lắc chiết 1.
Dùng điều kiện thời gian lắc chiết giai đoạn 1 là 3 phút đặt cố định để tiếp tục khảo sát thời gian lắc chiết của giai đoạn 2. Khi tăng thời gian lắc chiết thì hiệu suất chiết tăng lên, sau 2 phút thì hiệu quả chiết có xu hướng giảm do các phenol có xu hướng chuyển lại về pha dung môi. Thời gian lắc chiết 2 phút được chọn làm thời gian lắc vortex cho giai đoạn lắc chiết 2.
Hình 3.12. Biểu đồ khảo sát ảnh hưởng thời gian lắc chiết giai đoạn 2 đến hiệu suất chiết các phenol
3.2.5 Hiệu suất chiết
Xác định hiệu suất chiết được tiến hành chiết mẫu giả với nồng độ phenol, 2-NP, 4-NP và 2-M-4,6-DNP là 10 µg/l. Quy trình chiết lỏng – lỏng hai giai đoạn với các điều kiện tối ưu là: thời gian lắc chiết giai đoạn 1 là 3 phút, thời gian lắc chiết giai đoạn 2 là 2 phút. Dung môi chiết là hỗn hợp dung mơi n-hexan/1-octanol với thể tích
0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 50,0 55,0 60,0 65,0 70,0 75,0 1 2 3 4 Hi ệu suất chiế t phenol (%) Hi ệu suất chiế t ba dẫn xuất nit rophenol (%)
Thời gian chiết (phút)
Thời gian lắc chiết giai đoạn 2
tổng là 10 ml (tỉ lệ 60:40 v/v). Thể tích mẫu phân tích 150 ml được điều chỉnh tới pH = 2. Dịch chiết cuối là dung dịch 100 µL NaOH 0,1 mol/L và hệ số làm giàu theo
lý thuyết là 1500 lần.
Bảng 3.3. Đánh giá quy trình chiết các phenol
Chất phân tích Hệ số làm giàu thực tế Hiệu suất chiết trung bình
RSD Hiệu suất chiết phương pháp so sánh [45] (lần) (%) (%) (%) Phenol 262 17,5 4,2 14,3 2-M-4,6-DNP 1002 66,8 5,6 - 2-NP 1106 73,7 4,7 33,9 4-NP 1049 69,9 4,1 44,2
Kết quả thu được trên bảng 3.3: Hiệu suất chiết trung bình của ba thí nghiệm chiết lặp lần lượt là 17,5%; 66,8%; 73,7% và 69,9%. Độ lặp lại của quá trình chiết theo độ lệch chuẩn tương đối của ba thí nghiệm chiết lặp lần lượt là đều <10%, kết quả cho thấy phương pháp chiết có độ lặp lại tốt. Ngoài ra, các hiệu suất chiết thu được đều vượt trội so với các hiệu suất chiết của một nghiên cứu tương tự cũng sử dụng kỹ thuật chiết lỏng – lỏng hai giai đoạn chiết các phenol của tác giả Zhang Ping Ping và các cộng sự. 3.3 Đánh giá phương pháp
Quy trình phân tích phenol, 2-NP, 4-NP và 2-M-4,6-DNP sau khi đã tối ưu hóa các điều kiện phân tích trên thiết bị CE-UV và các điều kiện chiết bằng kỹ thuật chiết lỏng – lỏng hai giai đoạn là:
Quy trình phân tích trên phân tích phenol, 2-NP, 4-NP và 2-M-4,6-DNP trong nước thải sử dụng các điều kiện chiết và điều kiện phân tích trên thiết bị CE-UV đã tối ưu được đánh giá thông qua các thông số LOD, LOQ của thiết bị và phương pháp, khoảng tuyến tính, đường chuẩn, độ lặp lại, độ tái lặp, hiệu suất thu hồi khi phân tích các mẫu thêm chuẩn vào nền mẫu thực.
3.3.1 Giới hạn phát hiện, giới hạn định lượng
3.3.1.1 Giới hạn phát hiện, giới hạn định lượng của thiết bị CE-UV
Các kết quả giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của thiết bị (bảng 3.4) thu được các giá trị IDL đều nhỏ hơn 1 mg/L và các giá trị IQL trong khoảng từ 0,46 đến 1,46 mg/L với phenol. Các kết quả này cho thấy thiết bị có thể đáp ứng được phân tích mẫu chuẩn các phenol ở lượng vết khi khơng kết hợp với phương pháp xử lý và làm giàu mẫu.
Bảng 3.4. Giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của thiết bị CE-UV của thiết bị CE-UV
Chất phân tích IDL IQL (mg/L) (mg/L) Phenol 0,44 1,46 2-M-4,6-DNP 0,20 0,66 2-NP 0,14 0,46 4-NP 0,34 1,12
3.3.1.2 Giới hạn phát hiện, giới hạn định lượng của phương pháp phân tích
Các kết quả thể hiện ở bảng 3.5, giới hạn phát hiện thu được với phenol, 2-NP, 4-NP và 2-M-4,6-DNP trong khoảng từ 0,12 đến 1,67 µg/L.
So sánh giới hạn phát hiện của phương pháp nghiên cứu với giới hạn phát hiện của phương pháp tiêu chuẩn GC-FID và GC-ECD theo TCVN 7874:2008 [2], giới hạn phát hiện (MDL) của phương pháp CE-UV kém hơn so với giá trị MDL của phương pháp GC-FID đối với phenol, nhưng lại cao hơn so với giá trị MDL của
phương pháp GC-ECD. Các giá trị MDL của phương pháp CE-UV đối với ba dẫn xuất nitrophenol còn lại đều vượt trội so với phương pháp tiêu chuẩn (GC-FID và GC-ECD). Từ đó, ta có thể kết luận phương pháp CE-UV có thể đáp ứng tương đương hoặc tốt hơn so với phương pháp tiêu chuẩn trong phân tích các phenol đơn lẻ.
Bảng 3.5. Giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của phương pháp phân tích Chất phân tích MDL MQL MDL GC-FID [2] MDL GC-ECD [2] (µg/L) (µg/L) (µg/L) (µg/L) Phenol 1,67 5,56 0,14 2,2 2-M-4,6-DNP 0,20 0,66 16,0 - 2-NP 0,12 0,41 0,45 0,77 4-NP 0,32 1,07 2,8 0,70
Giá trị giới hạn phát hiện (MDL) của phương pháp nghiên cứu (CE-UV kết hợp chiết lỏng – lỏng hai giai đoạn) còn được so sánh với MDL của các nghiên cứu khác của các nhóm tác giả thuộc nhiều quốc gia khác nhau (Tây Ban Nha, Iran và Trung Quốc) cùng quan tâm đên mục tiêu này (bảng tổng hợp 3.6). Kết quả MDL của các phenol trong nghiên cứu này tương đương và tốt hơn so với giá trị MDL các phenol của hai nghiên cứu sử dụng phương pháp HPLC-DAD kết hợp kỹ thuật vi chiết lỏng – lỏng pha phân tán [34] hay kết hợp với kỹ thuật chiết lỏng – lỏng hai giai đoạn [45]. Ngoài ra, giá trị MDL của phương pháp sắc ký khí khối phổ kết hợp kỹ thuật vi chiết pha rắn (SPME-GC-MS) thấp hơn nhiều so với phương pháp CE-UV kết hợp chiết lỏng – lỏng hai giai đoạn. Tuy nhiên, phương pháp SPME-GC-MS lại có nhược điểm là phải dẫn xuất hóa mẫu phức tạp, hiệu suất dẫn xuất thấp và dễ mắc sai số ngẫu nhiên [26].
Bảng 3.6. Bảng so sánh giới hạn phát hiện của phương pháp nghiên cứu với giới hạn phát hiện phương pháp của các nghiên cứu khác
Phương pháp phân tích
Giới hạn phát hiện của phương pháp (MDL) Phenol 2-NP 4-NP 2-M-
4,6-DNP µg/L µg/L µg/L µg/L Phương pháp sắc ký khí khối phổ
kết hợp kỹ thuật vi chiết pha rắn (SPME-GC-MS) [26]
0,02 - - -
Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao sử dụng detetor mảng diot kết hợp với kỹ thuật vi chiết lỏng – lỏng pha phân tán
(DLLME-HPLC-DAD) [34]
1,30 0,40 0.30 -
Phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao sử dụng detetor mảng diot kết hợp với kỹ thuật chiết lỏng – lỏng hai giai đoạn
(Two-Steps LLE-HPLC-DAD) [45]
3,00 1,30 0,50 -
Phương pháp sử dụng trong nghiên cứu:
Điện di mao quản sử dụng detetor quang kết hợp kỹ thuật chiết lỏng – lỏng
hai giai đoạn
(Two-Steps LLE-CE-UV)
1,67 0,12 0,32 0,20
3.3.2 Độ lặp lại và độ tái lặp
Từ bảng 3.7, khi phân tích chuẩn hỗn hợp phenol, 2-NP, 4-NP và 2-M-4,6-DNP trên hệ CE-UV ở nồng độ 2 mg/L (là nồng độ gần với giới hạn định lượng của phenol
và ba dẫn xuất). Độ lặp lại tính theo độ lệch chuẩn tương đối của diện tích pic khi thực hiện 11 thí nghiệm lặp đều ≤ 8%. Độ lặp lại tính theo độ lệch chuẩn tương đối của thời gian di chuyển khi thực hiện 11 thí nghiệm lặp đều nhỏ hơn 4%.
Bảng 3.7. Độ lặp lại và độ tái lặp Chất phân tích RSDa Chất phân tích RSDa (%) RSDb (%) RSDc (%) RSDd (%) Phenol 7,7 3,4 7,1 8,0