2.1.2 .Nội dung nghiên cứu
2.2.1. Lấy mẫu, xử lý và bảo quản mẫu
Chuẩn bị lọ nhựa chứa mẫu phân tích lấy từ nhà máy nhiệt điện: lọ nhựa dung tích 330-500ml đƣợc làm sạch bằng nƣớc cất khử ion, sau đó đƣợc sấy khơ ở nhiệt độ 50oC trong 24 giờ.
Chuẩn bị lọ nhựa chứa mẫu phân tích trƣớc khi phân tích trên hệ thống sắc ký ion: Lọ nhựa dung tích 20ml đƣợc làm sạch bằng nƣớc cất khử ion, sau đó đƣợc sấy khơ ở nhiệt độ 50oC trong 24 giờ.
Các mẫu nƣớc đƣợc lấy từ các vị trí trích mẫu kiểm tra tại dây chuyền 1 và dây chuyền 2 nhà máy nhiệt điện Phả Lại. Lọ nhựa dung tích 330-500ml đƣợc tráng bằng mẫu 2 lần, nƣớc đƣợc lấy đầy các lọ nhựa, đậy nắp kín, ghi rõ vị trí lấy mẫu, ngày giờ và địa điểm trên lọ nhựa. Các mẫu nƣớc đƣợc bảo quản lạnh và chuyển tới phịng thí nghiệm.
Các bƣớc chuẩn bị mẫu và phân tích trên hệ thiết bị sắc ký ion cụ thể nhƣ sau:
- Mẫu trƣớc khi làm các thao tác phân tích đƣợc xóc nhẹ để đồng nhất mẫu.
- Tráng xilanh hút mẫu (loại dùng 1 lần) bằng nƣớc khử ion 3 lần, tráng bằng
mẫu 2 lần. Sau đó lọc qua filter loại 0,2µm để loại bỏ các hạt cặn lơ lửng trong mẫu
- Lọc một lƣợng vừa phải vào lọ 20ml mới để phân tích khảo sát mẫu trƣớc
- Dựa vào kết quả khảo sát tính tốn tỷ lệ pha lỗng hoặc làm giàu cho phù
hợp với khoảng tuyến tính đã tính tốn từ việc pha các dung dịch chuẩn (với những mẫu nồng độ trong khoảng tuyến tính thì khơng cần pha lỗng hoặc làm giàu).
- Sau khi tính tốn đƣợc tỷ lệ pha lỗng (hoặc làm giàu) thích hợp mẫu đƣợc lọc, pha lỗng (hoặc làm giàu) sau đó phân tích lại ba lần lấy kết quả trung bình.
2.2.2. Cơ sở lý thuyết của phương pháp sắc ký ion
Sắc ký ion là phƣơng pháp phân tích đơn giản đƣợc sử dụng rộng rãi để xác định liên tiếp nhiều anion Cl-, Br-, F-, I-, NO2-, PO43-, SO42- và cation Li+, Na+, NH4+, K+, Ca2+, Mg2+ trong mẫu nƣớc môi trƣờng.
Sắc ký ion dựa trên hiện tƣợng trao đổi thuận nghịch giữa các ion linh động của phân tử tĩnh rắn với các ion trong dung dịch phân tích, khi cho dung dịch này đi qua cột đƣợc nạp đầy pha tĩnh. Các pha tĩnh trong trƣờng hợp này đƣợc gọi là chất trao đổi ion, bản chất của các quá trình phân tách là do ái lực khác nhau của các ion trong dung dịch đối với các trung tâm trao đổi ion (nhóm chứa ion) của ionit.
Phƣơng pháp phân tích sắc ký có những điểm thuận lợi hơn về tốc độ phân tích, có thể phân tích cùng một lúc nhiều anion, có độ nhạy, độ chính xác cao. Phân biệt đƣợc các halogen (Br-, Cl-,…) và các anion ở trạng thái oxi hóa khác nhau (NO2-, NO3-, SO42-, SO32-,…) thƣờng ảnh hƣởng lẫn nhau trong phép phân tích ƣớt. Kĩ thuật sắc ký ion có ƣu điểm là thể tích mẫu phân tích nhỏ (vịng mẫu 25µl), mẫu sau khi bơm vào vòng mẫu đƣợc bơm tự động thực hiện rửa giải nên độ lặp lại tƣơng đối tốt. Do độ nhạy của các ion halogen trong kỹ thuật đo sắc ký ion cao hơn kỹ thuật điện cực chọn lọc, nên kỹ thuật này rất ƣu việt khi xác định các mẫu có hàm lƣợng thấp. Chất rửa giải thƣờng hay đƣợc sử dụng rộng rãi là dung dịch đệm Na2CO3/NaHCO3. Cũng có thể sử dụng các chất rửa giải khác nhƣ dinatritetraborat hoặc có thể sử dụng hệ rửa giải dung dịch KOH.
Bên cạnh đó, do thiết bị hiện đại đắt tiền, nên u cầu ngƣời phân tích cần phải có kinh nghiệm sử dụng; đồng thời hóa chất sử dụng phải là hóa chất tinh khiết phân tích.
Để phân tích mẫu nƣớc nhà máy nhiệt điện chứa các anion F-, Cl-, SO42- và
600. Phƣơng pháp này dễ sử dụng, thời gian phân tích ngắn đáp ứng đƣợc yêu cầu (khoảng 10 phút cho một mẫu), đặc biệt là cho độ chính xác và độ nhạy phát hiện cao (cỡ ppb).
Hình 2.1. Hình ảnh hệ thiết bị sắc ký ICS 2100
Hình 2.2.Hình ảnh hệ thiết bị sắc ký ICS 600
Máy sắc ký ion dùng để phân tích các ion có trong dung dịch lỏng. Dung dịch mẫu đƣợc bơm qua cột bảo vệ sau đó đi vào cột tách, trên cột tách, các ion sẽ tham gia vào phản ứng, tại đây xảy ra quá trình hấp phụ giữa ion trong dung dịch mẫu và chất mang tĩnh. Sau đó chúng đƣợc giải hấp, dựa vào ái lực của ion với chất hấp phụ mà các ion lần lƣợt đƣợc tách ra khỏi cột ở những thời điểm khác nhau (thời gian lƣu); dựa vào diện tích phổ của từng ion (độ dẫn điện của từng chất) và đƣờng chuẩn mà các ion trong dung dịch mẫu sẽ đƣợc định lƣợng . Cụ thể là sau khi đi qua cột tách, dung dịch sẽ đi qua thiết bị là bộ triệt nền, tại đây hầu hết những píc
nền ảnh hƣởng đến píc phân tích sẽ bị triệt. Cuối cùng chúng đƣợc đi qua một bộ phát hiện (detector) là một thƣ viện phổ để phát hiện các chất có trong dung dịch mẫu [5]. Dựa trên thời gian lƣu của từng ion và đƣờng chuẩn đã thiết lập, dễ dàng tính đƣợc hàm lƣợng của từng ion.
Hệ sắc ký ion bao gồm các thành phần chính nhƣ sau: Hệ dẫn dung dịch rửa giải + cột tách trao đổi ion + bộ triệt nhiễu nền + detector độ dẫn.; đƣợc trình bày bằng sơ đồ sau:
Hình 2.3. Sơ đồ hệ sắc ký ion
Mẫu chứa A và B đƣợc tiêm vào cột. Khi cho một chất rửa giải bắt đầu chảy qua cột, phần của mẫu đƣợc hoà tan trong pha động đƣợc di chuyển tại phần đầu của cột (tại thời điểm to). Ở đây các cấu tử A và B tự phân bố giữa hai pha. Tiếp tục cho pha động đi qua cột thì nó sẽ đẩy phần hịa tan này chạy xuống dƣới và sự phân bố mới giữa pha động và pha tĩnh sẽ xảy ra (thời điểm t1). Đồng thời sự phân bố giữa dung môi mới và pha tĩnh cũng diễn ra tại vị trí của mẫu lúc đầu.
xảy ra trong pha động, nên tốc độ trung bình của sự di chuyển chất tan phụ thuộc vào thời gian chất tan ấy nằm trong pha đó. Phần thời gian này là nhỏ đối với chất tan bị lƣu giữ mạnh bởi pha tĩnh (cấu tử B trong ví dụ trên) và lớn đối với chất tan (cấu tử A) có sự lƣu giữ trong pha động mạnh hơn. Sau một thời gian các phân tử chất A và B dần dần đƣợc tách khỏi nhau. Nếu đặt một detector có khả năng phát hiện đƣợc các chất tan (cấu tử A và B) tại cuối cột tách và tín hiệu của nó đƣợc vẽ lại nhƣ một hàm của thời gian (hoặc thể tích đƣợc thêm vào) thì một loạt pic đối xứng sẽ đƣợc ghi lại và đƣợc gọi là phổ đồ. Vị trí của các pic theo thời gian đƣợc dùng để nhận diện định tính và diện tích của pic đƣợc dùng cho phép phân tích định lƣợng của cấu tử đang xét. Pha động có thể khơng thay đổi thành phần dung mơi trong suốt q trình rửa giải; có thể thay đổi dung mơi rửa giải sau một thời gian định trƣớc (rửa giải theo từng giai đoạn); cũng có thể khơng thay đổi các dung môi tạo nên pha động nhƣng thay đổi nồng độ của các thành phần có trong pha động sau một thời gian định trƣớc (rửa giải gradient)[7].
Tác giả Phạm Thị Phƣợng, luận văn thạc sĩ năm 2015[4]: “Phân tích một số chỉ tiêu ion để đánh giá chất lƣợng một số loại nƣớc uống đóng chau bằng kỹ thuật sắc ký ion với máy ICS2000” đã xác định đƣợc đồng thời các anion F-, Cl-, SO42- và PO43- với giới hạn định lƣợng lần lƣợt là: 0,009ppb, 0,008ppb, 0,02ppb, 0,103ppb.
2.2.3. Nguyên tắc phương pháp xác định anion bằng sắc ký ion ICS-2100
Các anion trong dung dịch cần phân tích sẽ đƣợc trao đổi chọn lọc tại cột anionit dạng bazơ mạnh và dung dịch rửa giải KOH 25mM sẽ đẩy các ion ra khỏi cột vào detector đo độ dẫn. Phần mềm sẽ ghi phổ rửa giải theo thời gian và chƣơng trình tự động đo diện tích pic sẽ ghi các giá trị cần thiết. Diện tích pic rửa giải tỉ lệ thuận với nồng độ của các ion trong mẫu cần phân tích. Ƣu điểm của kĩ thuật này là thể tích mẫu phân tích nhỏ (vịng mẫu 25µl), mẫu sau khi bơm vào vịng mẫu đƣợc bơm tự động thực hiện rửa giải nên độ lặp lại tƣơng đối tốt. Do độ nhạy của các ion trong kĩ thuật sắc ký ion tƣơng đối cao (hàm lƣợng phát hiện dƣới 0,005ppm) nên kĩ thuật này rất ƣu việt khi xác định các ion có hàm lƣợng thấp. Cũng nhƣ tất cả thiết bị sắc ký khác, thiết bị sắc ký trao đổi ion có thể hình dung gồm 3 phần chính:
Phần đầu vào cấp pha động có thành phần mong muốn và mẫu phân tích. Phần tách: là phần trung gian của hệ sắc ký bao gồm cột tách, đơi khi có cột phụ trợ.
Phần phát hiện và xử lý số liệu: phần này bao gồm các detector, phần khuếch đại, máy tính và phần mềm xử lý số liệu, bộ ghi tín hiệu.
2.2.4. Sự tương tác giữa ba thành phần trong hệ sắc ký
Khi nạp chất phân tích vào hệ sắc ký, nó đƣợc phân bố giữa hai pha, pha tĩnh và pha động, tùy theo lực liên kết giữa từng pha với chất phân tích mà chúng có thời gian ở pha nào nhiều hơn. Nhƣ vậy thực chất là ba thành phần trong hệ sắc ký tƣơng tác với nhau, pha tĩnh, pha động và chất phân tích. Ta xét từng thành phần và quan hệ của chúng.
Pha tĩnh phải lƣu giữ đƣợc chất phân tích, tuy nhiên để tách đƣợc các chất, nó khơng đƣợc giữ q chặt chất phân tích để có điều kiện phân bố vào pha động và sau đó, ở một thời điểm khác, nó lại bị hấp thụ vào pha tĩnh. Các chất phân tích có tính chất càng giống nhau, sự phân bố càng phải lặp lại nhiều lần, ở đây ta muốn nói đến số lần phân bố đạt cân bằng hay số đĩa lý thuyết phải đủ lớn để tách có hiệu quả, do đó các vấn đề vật liệu làm pha tĩnh, chiều dài cột tách và cách nạp cột cũng cần đƣợc quan tâm. Ngày nay ta có thể sử dụng những cột có sẵn trên thị trƣờng nhƣng đôi khi, cùng một loại pha tĩnh, các hãng khác nhau có thể tạo đƣợc các sản phẩm với tính chất khác nhau.
Vấn đề tiếp theo là pha động và cách vận hành tức là tốc độ pha động, nhiệt độ, lƣợng mẫu đƣa vào cột, tái sinh cột,…Pha động phải hòa tan đƣợc chất phân tích, tuy nhiên thành phần pha động phải phù hợp sao cho chất phân tích khơng bị giữ quá lâu ở pha động để nó có thể liên kết trở lại với pha tĩnh.
Sự tƣơng tác giữa pha động và pha tĩnh là vấn đề vơ cùng quan trọng trong q trình sắc ký. Pha động khơng đƣợc làm ảnh hƣởng tới pha tĩnh, khơng làm thay đổi tính chất hóa lý của pha tĩnh. Pha động không đƣợc liên kết với pha tĩnh một cách quá bền vững để tạo điều kiện cho các chất phân tích có thể phân bố vào pha
hợp. Lực liên kết chủ yếu giữa chất phân tích và pha tĩnh chủ yếu là liên kết tĩnh điện, phụ thuộc nhiều vào điện tích của ion chất cần phân tích, pH của dung dịch và bán kính hydrat hóa của các ion chất phân tích.
Sự tƣơng tác của ba đại lƣợng chủ yếu trong hệ sắc ký:
Pha tĩnh (RNR3+) có khả năng hấp thụ chất phân tích theo phản ứng:
R-NR3+ + X- ↔ R-NR3X (1)
Mặt khác chất rửa giải trong pha động cũng tƣơng tác với pha tĩnh theo phản ứng:
R-NR3+ + A- ↔ R-NR3A (2)
Anion X- cần liên kết với pha tĩnh ở một mức độ không quá bền vững, phản
ứng hấp thụ ở đây là phản ứng thuận nghịch. Cân bằng phân bố là cân bằng động và
hợp chất R-NR3X có liên kết bền vững sao cho X- dễ dàng đi vào pha động. Đến
lƣợt A-, không đƣợc liên kết bền vững với R-NR3+, nói một cách khác là nồng độ A- không quá cao sao cho phản ứng (2) xảy ra thuận nghịch. Mặt khác tƣơng tác giữa X- và A- là tƣơng tác phủ định nhau, cạnh tranh nhau. Chính A- là yếu tố cạnh tranh để cho phản ứng (2) xảy ra. Nhƣ vậy vai trò của nồng độ chất rửa giải (A-) ở đây rất quan trọng, nó có giá trị phù hợp sao cho hiệu quả tách tốt nhất. Phƣơng pháp đƣa thêm chất tạo phức vào pha động cũng thƣờng đƣợc áp dụng trong sắc ký ion.
2.2.5. Phân tích định lượng bằng sắc ký ion
Trong sắc ký ion có thể dùng một trong hai phƣơng pháp là phƣơng pháp đƣờng chuẩn hoặc phƣơng pháp thêm tiêu chuẩn để định lƣợng. Việc dùng phƣơng pháp nào trong hai phƣơng pháp tùy thuộc vào loại mẫu phân tích và hàm lƣợng chất phân tích trong mẫu.
Phƣơng pháp đƣờng chuẩn có ƣu điểm là có thể phân tích hàng loạt mẫu của cùng một đối tƣợng, nhanh, đơn giản, dễ làm. Tuy nhiên khi thành phần mẫu phân tích phức tạp, việc pha dung dịch chuẩn để phù hợp với mẫu phân tích về thành phần nền, thành phần hóa học và vật lý dễ mắc sai số lớn. Trong trƣờng hợp này để loại trừ ảnh hƣởng của nền, ngƣời ta dùng phƣơng pháp thêm tiêu chuẩn.
Trong đề tài sử dụng phƣơng pháp đƣờng chuẩn để phân tích hàm lƣợng ion trong mẫu nƣớc nhà máy nhiệt điện.
2.3.HĨA CHẤT, DỤNG CỤ, THIẾT BỊ
2.3.1. Hóa chất
Tất cả các hóa chất sử dụng đều thuộc loại tinh khiết phân tích và đƣợc pha bằng nƣớc khử ion.
- Dung dịch chuẩn 7 anion (Dionex): water 99%, Fluoride 20mg/L, Chloride
100mg/L, Nitrite 100mg/L, Bromide 100mg/L, Nitrate 100mg/L, Phosphate 200mg/L, Sulfate 100mg/L
- Dung dịch chuẩn đơn Cl- 1000mg/L (Dionex)
- Dung dịch chuẩn đơn F- 1000mg/L (Dionex)
- Dung dịch chuẩn đơn SO42- 1000mg/L (Dionex)
- Dung dịch chuẩn đơn PO43- 1000mg/L (Dionex)
- NH3 25% (Merck)
- N2H6SO4 99%
Chuẩn bị các dung dịch hóa chất
- Pha dung dịch chuẩn: Tùy thuộc vào nồng độ dự kiến của các anion mà pha
các dung dịch chuẩn gốc đơn lẻ thứ cấp hoặc hỗn hợp từ các dung dịch gốc chuẩn.
Các dung dịch chuẩn đƣợc bảo quản trong bình polyetylen ở 4oC.
- Chuẩn bị mẫu nƣớc nhà máy nhiệt điện để phân tích các anion F-, Cl-, SO42-,
PO43-: Mẫu đƣợc lấy từ các vị trí trích mẫu kiểm tra trong hệ thống nƣớc nhà máy
nhiệt điện: nƣớc cấp, nƣớc bao hơi, nƣớc hơi bão hòa, nƣớc hơi quá nhiệt, nƣớc ngƣng, nƣớc đầu vào khử khí, nƣớc đầu ra khử khí, nƣớc đầu vào bộ hâm, đƣợc lọc qua màng lọc 0,2µm vào lọ nhựa dung tích 20ml trƣớc khi phân tích.
2.3.2. Dụng cụ phân tích
- Dụng cụ thủy tinh: bình định mức, pipet, cốc.
- Micropipet các loại: 200, 1000, 5000 µL.
- Một số dụng cụ thơng thƣờng khác trong phịng thí nghiệm.
- Tất cả các dụng cụ thủy tinh, bình hứng đều phải đƣợc ngâm axit rửa sạch,
rung rửa sạch và tráng bằng nƣớc cất để khơ. Lọ nhựa có thể sấy ở 80oC trong 24
giờ.
2.3.3. Thiết bị phân tích
a) Hệ sắc ký ion (Ion Chromatography System –ICS 2100)
- Các thông số hệ sắc ký bao gồm:
- Cột sắc ký: IonPac AS18 Analytical 4 x 250mm
- Cột bảo vệ: IonPac AG18 Guard 4 x 50mm
- Thành phần dung dịch rửa giải: 25mM KOH
- Vịng mẫu: thể tích 25µl
- Detector : Suppressed conductivity AERS 500 4mm
- Áp suất cột : ~2300psi
- Độ dẫn của đƣờng nền: ~1,3µS
- Thời gian đo: 10 phút
b) Các trang thiết bị khác
- Máy lọc nƣớc Ultra clear TWF UV+TM tạo nƣớc cất hai lần khử ion
- Cân phân tích của hãng Mettler AE 163 độ chính xác 0,0001g.
- Máy rung siêu âm có gia nhiệt Ultrasonic.
- Máy đo đa chỉ tiêu loại để bàn, hãng Thermo Scientific Orion.
- Tủ lạnh dùng để bảo quản mẫu.
2.4. THẨM ĐỊNH PHƢƠNG PHÁP
2.4.1. Tính đặc hiệu
Lần lƣợt phân tích các dung dịch: mẫu chuẩn anion; mẫu trắng và mẫu trắng