Phƣơng pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao HPLC định lƣợng Diazinon

2.4.1 .Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ của vật liệu

2.6. Các phƣơng pháp nghiên cứu

2.6.3. Phƣơng pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao HPLC định lƣợng Diazinon

Phƣơng pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) ra đời năm 1967-1968 trên cơ sở phát triển và cải tiến từ phƣơng pháp sắc ký cột cổ điển.

HPLC là một phƣơng pháp chia tách trong đó pha động là chất lỏng và pha tĩnh chứa trong cột là chất rắn đã đƣợc phân chia dƣới dạng tiểu phân hoặc một chất lỏng phủ lên một chất mang rắn, hay một chất mang đã đƣợc biến bằng liên kết hóa học với các nhóm chức hữu cơ.

Phƣơng pháp này ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi và phổ biến vì nhiều lý do: có độ nhạy cao, khả năng định lƣợng tốt, thích hợp tách các hợp chất khó bay hơi hoặc dễ phân hủy nhiệt.

Hình 2.2. Sơ đồ khối của thiết bị HPLC

a, Nguyên tắc:

Quá trình tách trong HPLC là những quá trình tổ hợp của nhiều quá trình vừa có tính chất hóa học vừa có tính chất lý học. Q trình này là những cân bằng động xảy ra ở trong cột sắc kí giữa pha tĩnh là chất rắn và pha động là chất lỏng. Nó là sự vận chuyển và phân bố của chất tan (hỗn hợp mẫu) theo từng lớp qua pha tĩnh. Trong q trình đó chất tan luôn luôn đƣợc phân bố lại giữa hai pha, khi pha động luôn luôn chảy qua cột với một tốc độ nhất định. Trong q trình sắc kí, chất nào bị lƣu giữ mạnh nhất sẽ đƣợc rửa giải ra khỏi cột sau cùng, chất nào bị lƣu giữ kém nhất sẽ đƣợc rửa giải ra trƣớc tiên. Các detector sẽ dị nhận sự biến đổi tín hiệu điện khi có mặt chất phân tích và cho tín hiệu là pic chất trên sắc đồ. Thông thƣờng, dựa vào thời gian lƣu, có thể định tính đƣợc chất phân tích bằng cách so sánh với thời gian lƣu của chất chuẩn trong cùng điều kiện phân tích.

Dựa vào sự khác nhau về cơ chế tách chiết sử dụng trong HPLC, ngƣời ta chia HPLC thành 4 loại:

 Sắc ký hấp phụ hay sắc ký lỏng rắn (adsorption/liquid chromatography).

 Sắc ký phân bố (partition chromatography).

 Sắc ký ion (ion chromatography).

 Sắc ký rây phân tử (size exclusion/gel permeation chromatography).

b, Thực nghiệm:

Việc định lƣợng Diazinon đƣợc thực hiện trên máy Hệ thống HPLC Shimadzu 10 Avp với detector PDA Shimadzu-M10 Avp thuộc Khoa Hóa học- Đại học Khoa học tự nhiên-ĐHQGHN. Các điều kiện để định lƣợng Diazinon nhƣ sau:

Hệ thống HPLC Shimadzu 10 Avp với detector PDA Shimadzu-M10 Avp

- Sử

dụng cột pha đảo Cadenza CD-C18 (250 x 4,6mm x 3µm)

- Nhi

- Det etor UV-Vis đặt ở bƣớc sóng λ=247nm - Pha động : 90:10 ( ACN: H2O) - Tốc độ dòng 1,20 min/ml

c, Xây dựng đường chuẩn Diazinon

Để xác định nồng độ diazinon trong dung dịch sau khi phân hủy, thí nghiệm dựng đƣờng chuẩn diazinon trong khoảng nồng độ từ 1 ppm – 50,4 ppm (các dung dịch làm việc đƣợc pha từ chuẩn diazinon 1260 ppm) định lƣợng diazinon bằng phƣơng pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao. Diazinon có cực đại hấp thụ ở bƣớc sóng λmax = 247 nm. Nồng độ diazinon đƣợc xác định tại bƣớc sóng này.

Để xác định sự phụ thuộc của diện tích pic vào nồng độ dung dịch diazinon, thí nghiệm tiến hành chạy máy HPLC các dung dịch diazinon có nồng độ khác nhau lần lƣợt là 1; 5,04; 12,6; 25,2; 50,4 ppm và kết quả thu đƣợc trong bảng 2.1 và đồ thị đƣờng chuẩn nhƣ hình 2.3.

Bảng 2.1.Sự phụ thuộc của diện tích pic vào nồng độ của dung dịch Diazinon

C(ppm) 1 5,04 12,6 25,2 50,4

Hình 2.3. Đƣờng chuẩn Diazinon

Nhận xét: Giá trị hồi quy R2 = 0,9979 của đƣờng chuẩn Diazinon cho thấy đƣờng chuẩn có độ tin cậy cao.

Từ đồ thị đƣờng chuẩn diazinon có phƣơng trình đƣờng chuẩn là: y = 18904x - 21135

Trong đó: y là diện tích pic

x là nồng độ dung dịch diazinon C (ppm) 2.6.4. Phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt

Quá trình hấp phụ thƣờng đƣợc mơ tả bởi các mơ hình đẳng nhiệt hấp phụ Toth, Redlich-Peterson, Langmuir, Freundlich, Temkin, Polanyi-Dulinin,…Tuy nhiên, trong thực tế phƣơng trình Langmuir thƣờng đƣợc áp dụng cho các vật liệu có bề mặt đồng nhất. Phƣơng trình Freundlich thƣờng đƣợc áp dụng cho hấp phụ chất tan trong pha lỏng trên các vật liệu rắn nhƣ than hoạt tính, khống sét, vv… a) Phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir

Một trong những phƣơng trình đẳng nhiệt đầu tiên xây dựng trên cơ sở lý thuyết là của Langmuir (1918). Tiền đề để xây dựng lý thuyết, tức là các giả thuyết gồm:

- Trên bề mặt chất rắn chia ra từng vùng nhỏ, các tâm hoạt động mỗi vùng chỉ tiếp nhận một phân tử chất bị hấp phụ. Trong trạng thái bị hấp phụ các phân tử trên bề mặt chất rắn khơng tƣơng tác với nhau.

- Q trình hấp phụ là động, tức là quá trình hấp phụ và giải hấp phụ có tốc độ bằng nhau khi trạng thái cân bằng đã đạt đƣợc. Tốc độ hấp phụ tỉ lệ với các vùng chƣa bị chiếm chỗ (tâm hấp phụ), tốc độ giải hấp phụ tỉ lệ thuận với các tâm đã bị chất bị hấp phụ chiếm chỗ.

Phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir có dạng:

q = qmax . Ct K Ct K a a . 1 . 

q: Tải trọng hấp phụ tại thời điểm khảo sát qmax: Tải trọng hấp phụ cực đại

Ka: Hằng số

Khi tích số Ka.Ct<<1 thì q=qmax.Ka.Ct mơ tả vùng hấp phụ tuyến tính. Khi tích số Ka.Ct>> 1 thì q=q max mơ tả vùng hấp phụ bão hòa.

Khi nồng độ chất hấp phụ nằm trong khoảng trung gian giữa hai khoảng nồng độ trên thì đƣờng biểu diễn là một đoạn cong.

Để xác định các hằng số trong phƣơng trình Langmuir, ngƣời ta thƣờng sử dụng phƣơng pháp đồ thị thơng qua phép biến đổi tốn học phƣơng trình trên:

Đây là phƣơng trình đƣờng thẳng biểu diễn sự phụ thuộc của Ct/q vào Ct

max max 1 1 q K C q q C a t t  

Hình 2.4. Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir Langmuir

Hình 2.5. Sự phụ thuộc của Ct/q vào Ct

Từ đồ thị ta rút ra: tgα =1/q max và ON=1/Ka.

b) Phƣơng trình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich

Mơ hình đẳng nhiệt Freundlich dựa trên giả thuyết cho rằng bề mặt chất hấp phụ là không đồng nhất với các tâm hấp phụ khác nhau về số lƣợng và năng lƣợng hấp phụ. Đây là phƣơng trình thực nghiệm có thể sử dụng để mô tả nhiều hệ hấp phụ hóa học hay vật lý. Quan hệ giữa dung lƣợng hấp phụ cân bằng và nồng độ cân bằng của chất

bị hấp phụ đƣợc biểu diễn bằng phƣơng trình hàm mũ: q = k.C1/n

Trong đó:

k: Hằng số phụ thuộc vào nhiệt độ, diện tích bề mặt và các yếu tố khác n: Hằng số chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và luôn lớn hơn 1

Phƣơng trình Freundlich phản ánh khá tốt số liệu thực nghiệm cho vùng ban đầu và vùng giữa của đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt, tức là ở vùng nồng độ thấp của chất bị hấp phụ.

Để xác định các hằng số, đƣa phƣơng trình trên về dạng đƣờng thẳng:

lgq = lgk + n 1

lgCf

Trong đó: q là dung lƣợng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g) Cf là nồng độ hấp phụ cân bằng (mg/L)

Đây là phƣơng trình đƣờng thẳng biểu diễn sự phụ thuộc của lgq vào lgCf Dựa vào đồ thị ta xác định đƣợc các giá trị k và n.

lgq M 0 lgCf Cf(mg/l) 0 q (mg/g) tg Hình 2.6. Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich Hình 2.7. Sự phụ thuộc lgq vào lgCf tg = 1/n OM = lgk β

CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Nghiên cứu biến tính Bentonit 3.1. Nghiên cứu biến tính Bentonit

3.1.1. Đặc trƣng của vật liệu Bentonit và Bentonit biến tính a) Thành phần của Bent Ninh Thuận

Trong nghiên cứu này, đã sử dụng vật liệu hấp phụ Bentonit Ninh Thuận có dung lƣợng trao đổi cation là 67 meq/100g sét khơ với các thành phần khống học và hóa học của mẫu Bentonit Ninh Thuận đƣợc trình bày trong Bảng 3.1 và 3.2.

Bảng 3.1. Thành phần khoáng học của mẫu Bentonit Ninh Thuận [2]. Thành phần khoáng Hàm lƣợng (% KL) Thành phần khoáng Hàm lƣợng (% KL) Monmorillonit 60 Quartz 11 Albit 8 Microclin 10 Calcit 7 Pha vơ định hình 4

Bảng 3.2. Thành phần hóa học của mẫu Bentonit Ninh Thuận [2]. Chất SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O TiO2 MnO Chất SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O TiO2 MnO % KL 41,6 13,28 3,65 4,03 1,77 2,6 20,99 0,43 0,1

Trong nghiên cứu của Võ Thị Mai Hoàng, Lê Ngọc Thạch (2010) đã xác định đƣợc thành phần hóa học các loại Bentonit Ninh Thuận tinh chế và biến tính gần nhƣ giống nhau, đều bao gồm: SiO2, Al2O3, Fe2O3, MgO, Na2O, K2O, CaO, MnO2, TiO2. Sau khi biến tính Fe2O3, MgO, Na2O, K2O, CaO, MnO2 giảm hoặc biến mất làm cho cấu trúc của các montmorillonite biến tính đƣợc trống trải hơn dẫn đến khả năng hấp phụ tốt hơn. [12]

Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Bent

00-033-1161 (D) - Quartz, syn - SiO2 - WL: 1.5406 - Hexagonal - a 4.91340 - b 4.91340 - c 5.40530 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - P3221 (154) - 3 - 113.009 - I/Ic PDF 3.6 - F30= 77(0.0126,31) 00-003-0014 (D) - Montmorillonite - MgO·Al2O3·5SiO2·xH2O - WL: 1.5406 -

File: DuyenK59B Bent.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 1.000 ° - End: 79.990 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 0.3 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 15 s - 2-Theta: 1.000 ° - Theta: 0.500 ° - Chi: 0.00 ° - Phi: 0.00 ° - X: 0.

Li n (C ps) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 2-Theta - Scale 1 10 20 30 40 50 60 70 80 d = 4 .4 6 2 d = 4 .2 3 8 d = 3 .3 4 4 d = 3 .2 2 9 d = 3 .0 3 3 d = 2 .7 5 8 d = 2 .4 0 4 d = 2 .3 3 6 d = 2 .2 8 5 d = 2 .1 5 7 d = 1 .9 1 2 d = 1 .8 7 3 d = 1 5 .1 6 0

Hình 3.1. Giản đồ XRD của Bentonit

Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Bent-Fe

00-033-1161 (D) - Quartz, syn - SiO2 - WL: 1.5406 - Hexagonal - a 4.91340 - b 4.91340 - c 5.40530 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - P3221 (154) - 3 - 113.009 - I/Ic PDF 3.6 - F30= 77(0.0126,31) 00-003-0014 (D) - Montmorillonite - MgO·Al2O3·5SiO2·xH2O - WL: 1.5406 -

File: DuyenK59B Bent-Fe.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 1.000 ° - End: 79.990 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 0.3 s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 16 s - 2-Theta: 1.000 ° - Theta: 0.500 ° - Chi: 0.00 ° - Phi: 0.00 ° -

Li n (C ps) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 2-Theta - Scale 1 10 20 30 40 50 60 70 80 d= 10 .1 03 d= 4. 46 3 d= 4. 23 3 d= 4. 01 7 d= 3. 46 0 d= 3. 34 3 d= 3. 23 9 d= 2. 94 9 d= 2. 90 3 d= 2. 85 5 d=2. 75 7 d= 2. 71 8 d= 2. 58 5 d= 2. 55 7 d= 2. 50 9d=2. 45 9 d= 2. 41 7 d= 2. 36 5 d= 2. 10 1 d=2. 06 7 d=1. 97 4 d= 1. 93 6 d= 1. 91 0 d= 1. 85 1 d= 1. 79 3 d= 1. 68 5 d= 16 .0 44

Hình 3.2. Giản đồ XRD của Bent-Fe

Từ kết quả trên cho thấy bentonit chƣa biến tính có khoảng cách cơ bản d =15,16 Ao ở góc nhiễu xạ 2θ = 6o. Khi đƣợc biến tính bằng Fe thì khoảng cách cơ bản đã tăng lên d= 16,044 Ao. Chứng tỏ sắt đã đƣợc thêm vào các khoảng cách giữa các lớp bentonit. [63]

3.1.2. Khả năng hấp phụ của bentonit và bent-Fe a) Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ của vật liệu a) Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ của vật liệu

Để khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ của Bentonit, Bent-Fe đối với diazinon thí nghiệm đã tiến hành với các điều kiện sau: lƣợng vật liệu là 0,5g/l trong 100ml dung dịch Diazinon có nồng độ xác định, đƣợc khảo sát trong các khoảng thời gian lần lƣợt là: 15; 30; 60; 90; 120 phút.

Bảng 3.3. Kết quả khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ của Bent và Bent-Fe

Thời gian (phút) 0 15 30 60 90 120

Bent Ct (ppm) 18,43 12,05 10,27 9,99 9,35 8,94 q (mg/g) 12,60 15,92 16,27 17,27 17,83 Bent-Fe Ct (ppm) 24,08 15,96 14,97 9,82 9,79 8,33

q (mg/g) 16,02 17,65 27,13 26,78 28,33

Từ kết quả trên, có thể nhận thấy thời gian đạt cân bằng hấp phụ của vật liệu Bent, Bent-Fe đối với diazinon lần lƣợt là 30 phút và 60 phút.

b) Khảo sát dung lƣợng hấp phụ cực đại của vật liệu

Để khảo sát dung lƣợng hấp phụ cực đại của vật liệu thí nghiệm đã tiến hành trong các điều kiện sau: lƣợng xúc tác là 0,5 g/l trong 20ml dung dịch diazinon với các nồng độ khác nhau lần lƣợt là: 6,3; 12,6; 25,2; 40,95; 63 ppm và khảo sát trong thời gian cân bằng hấp phụ của bentonit là 30 phút, bent-Fe là 60 phút. Kết quả khảo sát đƣợc ghi trong bảng 3.4.

Bảng 3.4. Kết quả khảo sát dung lƣợng hấp phụ của vật liệu Bent, Bent-Fe đối với diazinon C0 (mg/l) Ct (ppm) q (mg/)l Ct/q lnq lnCt Bent 6,3 2,48 7,64 0,33 2,03 0,91 12,6 4,76 15,67 0,30 2,75 1,56 25,2 13,00 24,39 0,53 3,19 2,57 40,95 23,05 35,81 0,64 3,58 3,14 63 41,13 43,74 0,94 3,78 3,72 Bent-Fe 6,3 2,68 7,24 0,37 1,97 0,99 12,6 3,09 19,01 0,16 2,94 1,13 25,2 10,72 28,95 0,37 3,36 2,37 40,95 18,14 45,62 0,40 3,82 2,89 63 36,27 53,46 0,68 3,98 3,59

Hình 3.4. Đồ thị sự phụ thuộc của Ct/q vào Ct của bent và bent-Fe theo mơ hình langmuir

Hình 3.5. Đồ thị sự phụ thuộc của lnq vào lnCt của bent và bent-Fe theo mơ hình

Bảng 3.5: Các thơng số của phƣơng trình đẳng nhiệt Langmuir và Freundlich của Bent và Bent-Fe

Các thông số đẳng nhiệt Langmuir

Các thông số đẳng nhiệt Freundlich

R2 R2 k 1/n

Bent 0,9829 0,9663 5,15 0,60

Bent-Fe 0,813 0,8347 5,99 0,65

Từ nghiên cứu mơ hình đẳng nhiệt dựa vào hệ số hồi quy R2 hấp phụ Langmuir và Freundlich có thể nhận thấy, các số liệu thực nghiệm quá trình hấp phụ Diazinon trên vật liệu Bent, Bent-Fe đƣợc mô tả phù hợp hơn với mơ hình hấp phụ đẳng nhiệt Freundlich. Trong đó, k là hằng số hấp phụ Freundlich, đặc trƣng cho dung lƣợng hấp phụ và là thƣớc đo diện tích bề mặt của chất hấp phụ. Cịn 1/n là hệ số có giá trị trong khoảng từ 0,1 - 1, đặc trƣng cho cƣờng độ hấp phụ. Giá trị 1/n càng lớn thì liên kết càng yếu. Dựa vào hằng số k của đƣờng đẳng nhiệt Freundlich cho thấy Bent-Fe có khả năng hấp phụ diazinon lớn hơn so với Bent, chứng tỏ hiệu quả của việc đƣa các ion Fe3+ vào giữa các lớp Bentonit. Kết quả này phù hợp với kết quả thu đƣợc từ giản đồ XRD. Với kết quả thu đƣợc, vật liệu Bent- Fe đƣợc lựa chọn làm pha nền để đƣa hệ xúc tác Fe-TiO2 lên.

3.2. Các đặc trƣng cấu trúc của vật liệu Fe-TiO2/ Bent-Fe

Trong nghiên cứu của nhóm, tác giả Hồng Thị Huyền đã nghiên cứu tổng hợp vật liệu Fe-TiO2/Bent-Fe (tỷ lệ khối lƣợng 50% Fe) bằng phƣơng pháp sol-gel kết hợp thủy nhiệt với các tỷ lệ khối lƣợng khác nhau lần lƣợt là: (1:2), (1:1), (2:1), (3:1) xử lý phẩm màu Rhodamin B sau 6h chiếu sáng bằng đèn compact thì hiệu suất phân hủy đạt đƣợc lần lƣợt là: 71,72%; 75,91%; 82,71%; 86,28%. Nhƣ vậy, bằng thực nghiệm tác giả cho thấy vật liệu Fe-TiO2/Bent-Fe tỷ lệ (3:1) có khả năng

xử lý Rhodamin B 20mg/l là cao nhất. Vì vậy, trong nghiên cứu này đã lựa chọn tổng hợp vật liệu nanocomposit Fe-TiO2/Bent-Fe tỷ lệ (3:1) bằng phƣơng pháp sol- gel kết hợp thủy nhiệt để nghiên cứu. [3].

3.2.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu

Cấu trúc pha của vật liệu TiO2, Fe-TiO2 và Fe-TiO2/Bent-Fe đƣợc trình bày