2.3.1. Phương pháp hấp thụ phân tử UV-Vis
Sử dụng phƣơng pháp hấp thụ phân tử UV-Vis để xác định chất hoạt động bề mặt SDS và STS. Dƣới đây là quy trình thực nghiệm để xác định SDS và STS:
Quy trình chung để xử lý vật liệu trước khi hấp phụ
Cân 0,1 (g) lƣợng vật liệu γ-Al2O3(vật liệu đã đƣợc xử lý với NaOH và nhiệt độ).
Tiến hành lắc vật liệu trong bình 25,0ml lần lƣợt chứa dung dịch SDS và STS có nồng độ đầu C0 trong nền muối NaCl, pH khác nhau với thời gian lắc để hấp phụ là 3 giờ ở nhiệt độ phòng. Tốc độ đƣợc cố định 200rpm/phút trong suốt quá trình nghiên cứu. Sau đó, thu đƣợc SDS và STS đã hấp phụ trên nhơm oxit.
Quy trình xác định SDS và STS sau khi hấp phụ trên nhôm oxit
Nồng độ của SDS và STS sau khi hấp phụ trên nhôm oxit đƣợc xác định bằng phƣơng pháp UV-Vis sử dụng cloroform làm dung môi hữu cơ và xanh methylen làm thuốc thử cation. Các mẫu trắng, mẫu dung dịch chuẩn và mẫu phân tích đƣợc tiến hành đồng thời nhƣ sau: lấy 1,0ml dung dịch chất cần phân tích đã lắc với vật liệu nhôm oxit với cùng điều kiện (nồng độ muối, pH). Dung dịch xanh methylen 0,01M đƣợc pha loãng 100 lần trong 10mM đệm axetat, pH 5,5; sau đó thêm 1,0ml dung dịch đã pha loãng vào mỗi ống. Thêm 2ml CHCl3 vào mỗi ống, đậy nắp và lắc trộn bằng tay, sau đó thêm tiếp cùng một thể tích CHCl3 vào mỗi ống (2 lần) và lắc trộn mạnh. Pha nƣớc và pha hữu cơ clorofom đƣợc tách bằng máy li tâm tại 4000rpm trong 10 phút ở nhiệt độ phòng. Độ hấp thụ quang đƣợc đo trong pha clorofom ở bƣớc sóng 655nm bằng thiết bị quang phổ UV-Vis, sử dụng cuvet thạch anh có nắp với bề dày 1cm.
Trong mỗi thí nghiệm đƣợc thực hiện với nồng độ muối khác nhau, các mẫu phân tích và mẫu trắng đƣợc pha lỗng với tỷ lệ thích hợp với tất cả các thơng số pha lỗng nhƣ nhau trƣớc khi đo độ hấp thụ quang để định lƣợng nồng độ SDS và STS một cách chính xác.Các thí nghiệm đƣợc tiến hành lặp 3 lần và lấy kết quả trung bình.
2.3.2. Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa F-AAS
Cơ sở phép đo phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) là sự hấp thụ năng lƣợng bức xạ đơn sắc của nguyên tử tự do ở trạng thái hơi, khi chiếu chùm tia bức xạ qua đám hơi của nguyên tử nguyên tố ấy trong mơi trƣờng hấp thụ.
Phƣơng trình định lƣợng của phép đo: A=KCb (2.1) Trong đó: A là cƣờng độ hấp thụ của vạch phổ K là hằng số thực nghiệm b là hằng số (0<b ≤1) C là nồng độ nguyên tố cần phân tích
Khi b=1, A sẽ phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ C
Thí nghiệm đo phổ F-AAS xác định Pb2+ trong dung dịch đƣợc đo trong cùng điều kiện và đƣợc chuẩn hóa trƣớc khi đo (Bảng 2.1).
Bảng 2.1. Các điều kiện đo phổ F-AAS xác định Pb2+
Điều kiện đo Phƣơng pháp F-AAS
Vạch đo (nm) 217,0
Khe đo (nm) 0,5
Cƣờng độ đèn HCL (mA) 8
Chiều cao Burner (mm) 6
Thành phần khí Khơng khí (L/phút) 8 Axetilen (L/phút) 2,0 Thành phần nền HNO3 (%) 2
2.3.3.Phương pháp điện di mao quản CE-C4D
Tiến hành xác định SDS và STS trên nhôm oxit bằng phƣơng pháp điện di mao quản với detector độ dẫn không tiếp xúcCE-C4D. Nồng độ SDS và STS trong dung dịch trƣớc và sau khi hấp phụ bằng SDS và STS đƣợc xác định bằng phƣơng pháp thêm chuẩn với SDS và STS đã biết trƣớc nồng độ.
Bảng 2.2.Các điều kiện đo của điện di mao quản CE-C4D
Điều kiện đo Phƣơng pháp CE-C4D
Mao quản Silica
Điện thế (kV) 18
Tổng chiều dài mao quản (cm) 53
Chiều dài hiệu dụng (cm) 44
Chiều cao bơm mẫu (cm/s) 20
Thành phần đệm Tris/ Histadin (50mM/20mM)
2.4. Ứng dụng vật liệu γ-Al2O3hấp phụ bằng SDS và STS trong kỹ thuật chiết
pha rắn
Khả năng hấp phụ của vật liệu γ-Al2O3 phụ thuộc vào bản chất điện tích bề mặt và độ xốp. Do vậy, vật liệu γ-Al2O3chƣa biến tính là vật liệu có khả năng hấp phụ chƣa cao và ứng dụng để xử lý làm giàu ion kim loại nặng cịn khá hạn chế. Vì vậy, cần biến tính vật liệu γ-Al2O3 để tăng khả năng hấp phụ và ứng dụng để làm giàu trong kỹ thuật chiết pha rắn để phân tích ion kim loại nặng trong mẫu nƣớc thực.
Hấp phụ SDS và STS trên vật liệu γ-Al2O3
Quá trình hấp phụ STS và SDS đƣợc tiến hành nhƣ sau:
Vật liệu γ- Al2O3 ban đầu đƣợc rửa nhiều lần với NaOH 0,2M; sau đó rửa lại bằng nƣớc deion khoảng 10 lần (rửa gạn đến pH=7,0).
Vật liệu thu đƣợc đem sấy khô trong tủ sấy (8 giờ ở 800C). Sau đó đem nung 0
Vật liệu M0 sau khi đã xử lý bề mặt đƣợc sử dụng để hấp phụ SDS và STS theo quy trình nhƣ sau:
- Cân 5,0g vật liệu M0
- Pha dung dịch SDS (hoặc STS) 0,01M, sau đó thêm NaCl 0,1M bằng nƣớc deion. Chỉnh pH=4,0 bằng dung dịch NaOH 0,1M và HCl 0,1M [38].
- Lắc vật liệu M0 với dung dịch SDS (hoặc STS) trong 3,0 giờ - Gạn bỏ dung dịch, rửa lại 1 lần bằng nƣớc deion
- Sấy khô vật liệu ở 600C trong 24 giờ thu đƣợc vật liệu M1 và M2. 2.5. Các thông số đánh giá độ tin cậy của phƣơng pháp phân tích
2.5.1. Giới hạn phát hiện (LOD), giới hạn định lượng (LOQ)
Giới hạn phát hiện (Limit of Detection- LOD) là nồng độ thấp nhất của chất
phân tích mà hệ thống phân tích cịn cho tín hiệu phân tích khác có nghĩa với tín hiệu của mẫu trắng hay tín hiệunền.
Giới hạn định lƣợng (Limit of Quantification- LOQ) là nồng độ thấp nhất
của chất phân tích mà hệ thống phân tích định lƣợng đƣợc với tín hiệu phân tích khác có nghĩa định lƣợng với tín hiệu của mẫu trắng hay tín hiệunền.
Cơng thức tính LOD và LOQ: LOD= 3.Sy
𝑏 (2.2) LOQ= 10.Sy𝑏 (2.3) Trong đó:
b là hệ số góc trong phƣơng trình hồi quy;
Sy là độ lệch chuẩn của mẫu trắng sau n thí nghiệm (ít nhất 10 thí nghiệm độc lập).
2.5.2. Độ lặp lại của phương pháp
Độ lặp lại đặc trƣng cho mức độ gần nhau giữa các giá trị riêng lẻ xi khi tiến hành trên các mẫu thử giống hệt nhau, đƣợc tiến hành bằng một phƣơng pháp phân tích, trong cùng một điều kiện thí nghiệm (ngƣời phân tích, trang thiết bị, phịng thí nghiệm) trong các khoảng thời gian ngắn [10].
Độ lặp lại của phƣơng pháp đƣợc xác địnhqua độ lệch chuẩn (SD) và độ lệch chuẩn tƣơng đối (RSD%) theo các công thức sau[9-10]:
Độ lệch chuẩn và độ lệch chuẩn tƣơng đốiđƣợc tính theo cơng thức: SD= (𝑆𝑖−𝑆𝑡𝑏)2
𝑛−1 (2.4) RSD(%) = 𝑆𝐷
𝑆𝑡𝑏x100 (2.5) Trong đó:
Si là diện tích; Stb là diện tích trung bình của n lần chạy; n là số lần chạy lặp.
2.5.3. Hiệu suất thu hồi của phương pháp
Hiệu suất thu hồi đƣợc xác định bằng cách thêm chuẩn vào mẫu trắng. Khi đó, hiệu suất thu hồi phép đo tính theo cơng thức:
H=𝐶𝑜𝐶𝑡 .100(%) (2.6) Trong đó:
H là hiệu suất thu hồi (%);
C0 là nồng độ thêm chuẩn vào mẫu trắng theo lý thuyết (mg/l); Ct là nồng độ tính tốn đƣợc thực tế (mg/l).
2.5.4. Hiệu suất (H%) và dung lượng hấp phụ 𝜞
Hiệu suất hấp phụ (H%)
Xác định hiệu suất hấp phụ của vật liệu nhôm oxit đƣợc tính theo cơng thức: H = 𝐶𝑜−𝐶𝑡
𝐶𝑜 .100 (%) (2.7) Trong đó:
Dung lƣợng hấp phụ 𝜞
Dung lƣợng hấp phụ đƣợc xác định theo công thức:
𝛤 = 𝐶𝑜−𝐶𝑒𝑚 . V.M (2.8) Trong đó:
𝛤 là dunglƣợng hấp phụ (mg/g);
Co là nồng độ ban đầu của chất phân tích trƣớc hấp phụ (mmol/l); Ce lànồng độ chất phân tích khi đạt cân bằng hấp phụ (mmol/l); m làlƣợng chất hấp phụ (g);
M là phân tử khối của SDS hoặc STS; V là thể tích dung dịch (l).
CHƢƠNG 3- KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Đánh giá phƣơng pháp phân tích xác định chất chất hoạt động bề mặt 3.1.1. Lập đường chuẩn 3.1.1. Lập đường chuẩn
Một dãy dung dịch chuẩn từ 5.10-7M đến 1,5.10-5M của chất hoạt động bề mặt ankyl sulfat gồm SDS (C12) và STS (C14) đƣợc chuẩn bị từ dung dịch gốc. Kết quảđƣờng chuẩn xác định SDS và STS bằng phƣơng pháp UV-Vis với thuốc thử xanh methylen và dung môi CHCl3 tại pH=5,5 đƣợc chỉ ra ở Hình 3.1 và 3.2.
Hình 3.1. Đường chuẩn xác định chất hoạt động bề mặt SDS bằng phương pháp UV-Vis
Hình 3.2.Đường chuẩn xác định chất hoạt động bề mặt STS bằng phương pháp UV-Vis
Tra bảng chuẩn t với bậc tự do f=4, độ tin cậy 95%, tbảng =2,776, sử dụng phần mềm Minitab 16 để tìm các giá trị a, b, Δa, Δb. Ta thu đƣợc bảng dƣới đây:
Bảng 3.1.Số liệu thống kê lập đường chuẩn xác định chất hoạt động bề mặt SDS và STS
Thông số
Tên chất a b Δa Δb
SDS 94894 -0,0014 1103 0,0085
STS 107290 0,0095 1538 0,0119
Tử bảng trên kết hợp tbảng =2,776 thu đƣợc phƣơng trình hồi quy của đƣờng chuẩn là:
Tên chất hoạt động bề mặt
Phƣơng trình hồi quy tuyến tính đầy đủ Hệ số tƣơng quan R²
SDS Y=(-0,0014 ±0,0236)+(94894±3062)x 0,9995 (3.1) STS Y=(0,0095±0,0330)+(107290±4269)x 0,9992(3.2)
Trong đó : Y là độ hấp thụ quang (A) X là nồng độ của SDS hoặc STS (mol/l).
3.1.2. Đánh giá phương pháp phân tích
3.1.2.1. Đánh giá phương trình hồi quy của đường chuẩn
Theo Bảng 3.1 ở trên, phƣơng pháp cho hệ số tƣơng quan tốt (R² ≥0,999). Qua đó thể hiện mối tƣơng quan tuyến tính giữa x và y.
Phƣơng pháp xây dựng đƣờng chuẩn có thể mắc sai số hệ thống. Để kiểm tra phƣơng pháp đo có mắc sai số hệ thống hay không cần tiến hành kiểm tra các giá trị A của phƣơng trình hồi quy với giá trị 0 với độ tin cậy 95%.
Dựa trên phần mềm Minitab 16 xác định đƣợc giá trị Pvalue của hằng số A trong đƣờng chuẩn. Giá trị Pvalue của SDS và STS đềunhỏ hơn 0,05 với độ tin cậy 95%. Chứng tỏ, hệ số A của phƣơng trình đƣờng chuẩn khác 0 khơng có ý nghĩa thống kê. Nhƣ vậy phƣơng pháp phân tích khơng mắc sai số hệ thống.
3.1.2.2. Giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng của phương pháp
(LOQ)
Để xác định LOD và LOQ, tiến hành chuẩn bị các dung dịch mẫu trắng bằng cách lấy vào 10 ống fancol 10ml. Cho vào mỗi ống có chứa sẵn 1,0ml muối NaCl 10-3M; 1,0ml dung dịch xanh methylen 10-3M. Thêm 2ml CHCl3 (2 lần) vào mỗi ống và lắc trộn mạnh. Pha nƣớc và pha hữu cơ clorofom đƣợc tách ra bới máy li tâm tại 4000rpm trong 10 phút ở nhiệt độ phòng. Độ hấp thụ quang đƣợc đo trong pha clorofom ở bƣớc sóng 655nm bằng thiết bị quang phổ UV-Vis (với dung dịch so sánh là cloroform) ta thu đƣợc kết quả nhƣ trong Bảng 3.2.
Bảng 3.2. Kết quả xác định độ lệch chuẩn của mẫu trắng
STT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 A655 0,0030 0,0050 0,0040 0,0020 0,0035 0,0054 0,0026 0,0065 0,0048 0,0037
Từ kết quả trên ta tính đƣợc giá trị trung bình: A655= 0,0041; Giá trị độ lệch chuẩn Sy=0,0014.
Giới hạn phát hiện LOD và giới hạn định lƣợng LOQ của SDS: LODSDS=3.𝑆𝐵𝑦= 3.0,0013894894 = 4,36×10-8(M)
LOQSDS = 10.𝑆𝑦
𝐵 =10.0,00138
94894 = 1,45×10-7 (M) Giới hạn phát hiện LOD và giới hạn định lƣợng LOQ của STS:
LODSDS =3.𝑆𝑦
𝐵 = 3.0,00138
107290 = 3,85×10-8 (M) LOQSDS = 10.𝑆𝑦𝐵 =10.0,00138107290 = 1,29×10-7 (M) Trong đó : Sy lần lƣợt là độ lệch chuẩn của mẫu trắng;
b lần lƣợt là hệ số góc của phƣơng trình hồi quy (3.1) và (3.2) 3.1.2.3. Đánh giá độ chụm (độ lặp lại) của phương pháp
Để đánh giá độ chụm của phƣơng pháp, chúng tôi tiến hành khảo sát độ lặp lại của 2 chất hoạt động bề mặt SDS và STS ở 3 mức nồng độ 10-7M, 5×10-6M và 10-5M. Mỗi mức nồng độ tiến hành với 6 lần đo lặp lại. Kết quả đƣợc thể hiện trong Bảng 3.3 và Bảng 3.4.
Bảng 3.3. Kết quả xác định độ lặp lại của phương pháp UV-Vis xác định SDS
Số lần đo Độ hấp thụ quang(A655) của SDS
10-7M 5×10-6M 10-5M 1 0,080 0,523 1,025 2 0,075 0,531 1,038 3 0,081 0,542 1,033 4 0,077 0,544 1,102 5 0,078 0,522 1,036 6 0,079 0,538 1,028 A655trung bình 0,078 0,533 1,044 RSD (%) 2,76 1,78 2,78
Bảng 3.4. Kết quả xác định độ lặp lại của phương pháp UV-Vis xác định STS
Số lần đo Độ hấp thụ quang(A655) của STS
10-7M 5×10-6M 10-5M 1 0,050 0,312 0,564 2 0,051 0,319 0,581 3 0,048 0,323 0,590 4 0,051 0,310 0,592 5 0,048 0,309 0,589 6 0,049 0,320 0,570 A655trung bình 0,049 0,316 0,581 RSD (%) 2,78 1,87 2,00
Kết quả thu đƣợc ở bảng trên cho thấy, ở cả 3 mức nồng độ đều có độ lệch chuẩn tƣơng đối RSD< 3%. Mặc dù với nồng độ 10-5M của SDS có giá trị RSD lớn nhất là 2,78% nhƣng giá trị này vẫn nằm trong giới hạn cho phép. Tức là mức độ dao động của các kết quả thực nghiệm độc lập quanh giá trị trung bình có thể chấp nhận đƣợc. Điều đó chứng tỏ phƣơng pháp UV-Vis có độ lặp lại tốt.
3.1.2.4. Đánh giá hiệu suất thu hồi của phương pháp
Hiệu suất thu hồi đƣợc xác định bằng cách thêm chuẩn vào mẫu trắng. Khi đó, kết quả hiệu suất thu hồi đƣợc chỉ ra ở Bảng 3.5.
Bảng 3.5. Kết quả xác định hiệu suấtthu hồi của phương pháp UV-Vis trong xác định SDS và STS Chất HĐBM C0 (10-7M) Ct (10-7M) H(%) SDS (C12) 50,00 47,80 95,60 10,00 9,65 96,50 1,00 0,92 92,00 STS (C14) 50,00 48,96 97,92 10,00 9,97 99,70 1,00 0,98 98,00
Các kết quả ở Bảng 3.5 cho thấy hiệu suất thu hồi của SDS và STS nằm trong khoảng 92,00-99,70%, chứng tỏ phƣơng pháp có hiệu suất thu hồitốt. Từ các kết quả nghiên cứu thu đƣợc, chúng tơi thấy qui trình phân tích đã đáp ứng đƣợc các yêu cầu về độ lặp lại và độ thu hồi. Độ lệch chuẩn tƣơng đối của các chất hoạt động bề mặt RSD 3%.
Nhƣ vậy, phƣơng pháp UV-Vislà phƣơng pháp phù hợp để phân tích các chất hoạt động bề mặt mang điện tích âm.
3.1.2.5. Kết quả phân tích đối chứng với phương pháp CE-C4D
Để đánh giá độ chính xác và độ tin cậy của phƣơng pháp phân tích UV-Vis, tiến hành phân tích một số mẫu SDS và STS bằng phƣơng pháp UV-Vis đối chứng với phƣơng pháp CE-C4D. Kết quả phân tích đƣợc trình bày trong Bảng 3.6.
Bảng 3.6. Kết quả phân tích xác định SDS và STS bằng phương pháp UV- Vis đối chứng với phương pháp CE-C4D.
Chất HĐBM Phƣơng pháp phân tích (M) Sai số tƣơng đối (%)
UV-Vis CE-C4D SDS 3,03×10-6 2,89×10-6 -4,84 2,68×10-4 2,52×10-4 -6,35 6,18×10-3 6,28×10-3 +1,59 6,18×10-5 6,20×10-5 +0,32 8,82×10-4 8,75×10-4 -0,80 STS 3,15×10-6 2,91×10-6 -8,25 2,18×10-4 2,26×10-4 +3,54 2,31×10-4 2,21×10-4 -4,52 9,35×10-3 9,63×10-3 +2,91 8,22×10-5 8,59×10-5 +4,31
Từ kết quả ở Bảng 3.6 cho thấy sai số tƣơng đối khi phân tích xác định SDS và STS bằng phƣơng pháp UV-Vis so với phƣơng pháp tiêu chuẩn CE-C4D dao động trong khoảng 0,32-8,25%. Từ đó cho thấy phƣơng pháp UV-Vis có thể áp dụng để xác định SDS và STS với độ tin cậy cao.
3.2. Đánh giá đặc tính của vật liệu γ- Al2O3 trƣớc và sau khi hấp phụ
Phƣơng pháp phân tích nhóm chức bằng phổ hồng ngoại (IR) đƣợc sử dụng để chứng minh sự thay đổi nhóm chức trên bề mặt vật liệu γ- Al2O3 trƣớc và sau khi hấp phụ SDS và STS. Tất cả phổ FT-IR đƣợc chụp trong dải 400-4000cm-1 với độ phân giải 4cm-1.
Tiến hành chụp phổ trong cùng điều kiện đối với 3 mẫu vật liệu: Mẫu 1: Mẫu nhôm oxit đã đƣợc xử lý bằng NaOH và nhiệt độ. Mẫu 2: Mẫu nhôm oxit sau khi hấp phụ chất hoạt động bề mặt SDS. Mẫu 3: Mẫu nhôm oxit sau hấp phụ chất hoạt động bề mặt STS.
Kết quả chụp phổ hồng ngoại của vật liệu γ- Al2O3 sau khi xử lý bằng NaOH và nhiệt độ thể hiện ở Hình 3.3.
Hình 3.3. Phổ IR của vật liêu γ- Al2O3 sau khi được xử lý bằng NaOH và nhiệt độ
Từ kết quả thu đƣợc ở Hình 3.3 cho thấy việc xử lý vật liệu γ- Al2O3 bằng NaOH và nhiệt độ tại phịng thí nghiệm ở 6000C trong 3 giờ làm bề mặt đƣợc hoạt hóa. Tín hiệu dao động hóa trị đặc trƣng của nhóm –OH xuất hiện trong vùng 3458,37-3570,24cm-1, pic dao động hóa trị của nhóm Al-O xuất hiện tại 1109,07 cm-1.Điều này góp phần làm tăng khả năng hấp phụ chất hoạt động bề mặt SDS và STS của vật liệu nhôm oxit.
Kết quả chụp phổ hồng ngoại (IR) của vật liêu γ- Al2O3 sau khi hấp phụ chất