CHƢƠNG 2 THỰC NGHIỆM
2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.3.4. Thí nghiệm khảo sát khả năng tách As(III)và As(V)
2.3.4.1. Chuẩn bị nhựa trao đổi anionit
Nhựa trao đổi anion thương mại trước hết được ngâm trong nước cất cho trương nở hồn tồn sau đĩ rửa sạch bằng nước cất. Nhựa trao đổi anion thương mại thường được để dưới dạng Cl-; do đĩ trước khi sử dụng phải
chuyển về dạng OH- sử dụng dung dịch NaOH làm tác nhân chuyển đổi. Quá
trình chuyển dạng cĩ thể thực hiện bằng cách ngâm nhựa với dung dịch NaOH 1M với tỉ lệ tương ứng 5 ml NaOH/1g nhựa, khuấy đều hỗn hợp ít nhất trong 30 phút rồi gạn bỏ phần dung dịch, lặp lại thao tác trên vài lần. Cũng cĩ thể thực hiện chuyển dạng nhựa trên cột và vẫn sử dụng dung dịch NaOH.
Trong trường hợp này dung dịch NaOH được dội qua cột nhựa với tốc độ
khoảng 1 - 2 ml/phút.cm2. Cuối cùng, nhựa được rửa bằng nước cất 2 lần cho
đến khi hết NaOH dư (thử bằng giấy chỉ thị pH), loại bỏ nước dư và được bảo quản ở dạng ướt trong bình cĩ nắp kín.
2.3.4.2. Khảo sát đánh giá khả năng lưu giữ As(III) và As(V) trên các loại nhựa trao đổi ion
Khả năng lưu giữ as(III) vơ cơ và as(V) vơ cơ trên nhựa trao đổi anion được khảo sát và đánh giá theo phương pháp trao đổi tĩnh, bằng cách cho từng loại nhựa anionit tiếp xúc với dung dịch asen tương ứng trong điều kiện pH, thời gian và nhiệt độ định trước; sau đĩ phân tích nồng độ asen cịn lại trong dung dịch sau thời gian trao đổi. Trong quá trình chuẩn bị dung dịch khảo sát, oxy hịa tan được đuổi hết bằng cách sục khí nitơ qua dung dịch trong khoảng 20 phút trước khi cho nhựa trao đổi ion vào dung dịch. Quy trình cụ thể như sau: Cân 0,2 g vật liệu nhựa trao đổi cần nghiên cứu đã được chuẩn bị ở mục 2.3.4.1, lần lượt cho vào các bình nĩn dung tích 100 ml cĩ chứa sẵn 50 ml dung dịch As(III) 50 mg/L hoặc 50ml As(V) 50 mg/L pha trong dung mơi etanol - nước 3:7 (V/V) cĩ pH = 6,5 đã được sục nitơ để đuổi hết oxy hịa tan. Đạy nắp kín và đặt trên máy lắc với tốc độ 100 vịng/phút trong 2 giờ. Sau đĩ lọc lấy dung dịch và đem phân tích nồng độ asen cịn lại trong dung dịch bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử kết hợp kĩ thuật hiđrua hĩa (HG-AAS).
Dung lượng hấp phụ cân bằng q được tính theo cơng thức:
q = (C0 - CL ).V/ m (2.8)
Trong đĩ: q là dung lượng hấp phụ cân bằng (mg/g)
C0, CL là nồng độ As ban đầu và nồng độ As cịn lại trong dung dịch sau trao đổi (mg/L)
m là khối lượng vật liệu hấp phụ (g)
V là thể tích dung dịch của mỗi lần thí nghiệm (L) Hiệu suất lưu giữ (H%) được tính theo cơng thức:
H(%) = (C0 - CL).100/C0 (2.9)
2.3.4.3. Khảo sát khả năng lưu giữ As(III) vơ cơ và As(V) vơ cơ trên cột nhựa trao đổi anion
Chuẩn bị cột trao đổi ion
Nhựa trao đổi anion chuẩn bị như ở trên được nạp vào cột polyetylen (đường kính 1,2 mm) cĩ van ở cuối cột bằng đường ướt với khối lượng nhựa xác định. Phía đáy cột được chặn bằng một lớp bơng polyeste để tránh hạt nhựa đi xuống van. Cột được đặt trong hộp cách ly cĩ vịi cấp khí nitơ như hình 2.2. Trước khi sử dụng, cột được rửa lại bằng nước đề oxy.
Quy trình thực nghiệm
Để khảo sát khả năng lưu giữ As(V) vơ cơ và As(III) vơ cơ trên cột anionit hay tách chúng khỏi nhau ở các giá trị pH nhất định, dung dịch nghiên cứu chứa asen trong nước đề oxy hay trong hệ dung mơi hữu cơ - nước đề oxy được điều chỉnh pH bằng dung dịch HCl hay NaOH và sục khí nitơ để đuổi hết oxy hịa tan. Tiếp theo dung dịch được nạp vào cột trao đổi đã chuẩn bị trước; điều chỉnh tốc độ nạp cột bằng cách thay đổi áp suất chân khơng của bộ chiết pha rắn (như trên hình 2.2.). Khi dung dịch nạp cột chảy hết, cột được tráng bằng hệ dung mơi cĩ cùng thành phần như dung dịch nạp cột với thể tích dung mơi bằng một thể tích lưu. Dung dịch tráng cột được gộp cùng dung dịch sau nạp cột để xác định hàm lượng As(III). Cột trao đổi ion sau đĩ được rửa giải bằng dung dịch HCl cĩ nồng độ xác định trước. Tốc độ rửa giải được điều chỉnh như khi nạp cột. Dung dịch rửa giải được đem phân tích hàm lượng As(V) vơ cơ.
Tất cả các thí nghiệm với dung dịch As(III) vơ cơ được tiến hành trong hộp cách ly cĩ vịi cấp khí nitơ liên tục trong suốt quá trình thực nghiệm.
Nhiệt độ phịng được điều chỉnh ở 250C bằng máy điều hịa nhiệt độ. Các thí
nghiệm khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố khác như oxi, anion, cation, thời gian bảo quản mẫu…cũng được tiến hành tương tự. Hình 2.2 mơ tả thiết bị nghiên cứu khả năng lưu giữ và tách As(III), As(V).
Hình 2. 2. Thiết bị thực nghiệm đánh giá khả năng lưu giữ và tách As(III), As(V)
2.3.5. Đánh giá phƣơng pháp phân tích
Để đánh giá phương pháp phân tích chúng tơi tiến hành đánh giá độ đúng qua sai số tương đối khi phân tích mẫu tự tạo và mẫu chuẩn CRM. Mẫu tự tạo được tạo ra bởi dung dịch chuẩn As(III) và As(V) được trộn vào nhau, cĩ cho thêm các ion khác, mơi trường được thay đổi bởi dung dịch HCl 1M và NaOH 1M. Mẫu chuẩn CRM được hội đồng nghiên cứu khoa học Canada cấp chứng nhận (phụ lục số 5). Sai số tương đối được tính theo cơng thức 2.10.
Độ chụm của kết quả được thí nghiệm được đánh giá qua độ lệch chuẩn (RSD %) và chuẩn Student. Các thí nghiệm đánh giá độ chụm được tiến hành đo lặp 3 lần để lấy dữ liệu tính tốn.
Hiệu suất thu hồi (H %) được tính theo cơng thức 2.10:
H = (CAs tìm thấy/CAs cho vào)*100% (2.10)
Để xác định giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của phương pháp, chúng tơi dùng các mẫu trắng là dung mơi etanol - nước (tỉ lệ 3:7), sau đĩ thực hiện quy trình xác định As(III), As(V) theo các bước như hình 3.19.
LOD được tính theo cơng thức 2.11.
LOD = (3.SDblank):b (2.11)
LOQ được tính theo cơng thức 2.12.
LOQ = (10.SDblank):b (2.12)
Trong đĩ, SDblank là độ lệch chuẩn tín hiệu của mẫu trắng
SDblank s2b (2.13) với nb i b bi b b x x n S 1 2 2 1 1 (2.14)
cịn b là hệ số gĩc của phương trình đường chuẩn xác định As(III) theo phương pháp HG - AAS.
2.3.6. Lấy mẫu phân tích as(III) vơ cơ và as(V) vơ cơ từ các nguồn nƣớc tự nhiên
Lấy mẫu hiện trường
- Các mẫu nước sơng được lấy ở các đoạn sơng Hồng, sơng Đà, sơng Kinh Thầy theo sơ đồ lấy mẫu ở phụ lục 1, 2, 3.
- Các mẫu nước ngầm được lấy ở các hộ dân gần nhà máy nước Nam Dư, Hồng Mai, Hà Nội theo sơ đồ lấy mẫu ở phụ lục số 4.
Các mẫu nước ngầm được lấy từ các giếng khoan cĩ độ sâu khác nhau. Nước ngầm được bơm cho chảy tự do khoảng 20 phút sau đĩ mẫu nước được lấy theo TCVN 6663:2011 và các chi tiết theo TCVN 6663-11:2011. Mẫu được bảo quản trong bình kín khí ở nhiệt độ 40
C khi vận chuyển và lưu mẫu. Các mẫu nước sơng được lấy bằng dụng cụ lấy mẫu nước nằm ngang njm và theo TCVN 6663:2011 và chi tiết theo TCVN 6663-6:2011. Mẫu được được bảo quản ở điều kiện như đối với các mẫu nước ngầm.
Các mẫu sau đĩ được chuyển về phịng thí nghiệm để phân tích hàm lượng các dạng của asen theo quy trình phân tích của luận án.
Tách As(III) vơ cơ tại hiện trường
Cột tách as(III) vơ cơ được chuẩn bị sẵn. Trước khi đi lấy mẫu, cột tách được rửa lại bằng hệ dung mơi 30% etanol và 70% nước đề oxy trong mơi trường nitơ và được bịt kín hai đầu. Nước ngầm sau khi bơm cho chảy tự do 20 phút hay nước sơng sau khi lọc qua giấy lọc băng xanh (kích thước lỗ xốp 0,45µm) được hút vừa đủ 35 ml vào xi lanh dung tích 100 ml đã cĩ sẵn 15 ml etanol. Lắc đảo cho mẫu trộn đều; sau đĩ bơm qua cột tách đã chuẩn bị trước, bỏ một thể tích lưu đầu tiên và thu tồn bộ nước qua cột. Tráng cột bằng một thể tích lưu dung mơi 30% etanol 70% nước đề oxy. Tồn bộ nước qua cột và nước tráng cột được hứng vào bình PE, axit hĩa bằng HCl 6 M (2 ml cho 1000 ml mẫu). Mẫu này được phân tích để xác định tổng hàm lượng as(III) vơ cơ và asen hữu cơ. Hàm lượng As(V) vơ cơ được xác định từ dung dịch rửa giải cột băng dung dịch HCl hoặc sau này được tính bằng hàm lượng asen tổng phân tích trong mẫu nước lấy đồng thời theo phương pháp lấy mẫu thơng thường (theo TCVN 6663:2011), trừ đi hàm lượng As(III) vơ cơ và asen hữu cơ trong mẫu nước được tách tại hiện trường.
Trong trường hợp cần loại bỏ asen hữu cơ, nước mẫu sau khi lọc qua giấy lọc băng xanh, được hút qua cột SPE C18 vừa đủ 35 ml bằng xi lanh đã chứa sẵn 15 ml etanol rồi được bơm qua cột trao đổi ion và tiến hành các bước như trình bày ở trên.
Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Sự phân li của axit asenơ và asenic trong các hệ dung mơi khác nhau
Như trình bày trong mục 2.3.2 và 2.3.3. axit asenơ và asenic được lần lượt chuẩn độ bằng dung dịch NaOH trong mơi trường nước, nước - etanol và nước - axeton. Kết quả chuẩn độ kết hợp với phần mềm ACD/pKa DB 12.0 sẽ được sử dụng làm cơ sở cho việc lập đường cong chuẩn độ, tính tốn các giá trị pKa của các nấc phân ly tương ứng và phần trăm tồn tại của các dạng sản phẩm phân ly của hai axit nĩi trên.
Phần mềm tính tốn các giá trị pKa của bất kỳ proton cĩ thể phân ly nào, kể cả các cấu trúc hữu cơ được xây dựng trên cơ sở tính tốn truyền thống (classic) và phương pháp thuật tốn GALAS (Global, Adjusted Locally
According to Similarity) [36, 39, 48, 53, 58]. Thuật tốn này là một quy trình tính tốn gồm nhiều bước liên quan đến việc đánh giá và dự báo các giá trị pKa với những sự hiệu chỉnh tùy theo mơi trường hĩa học của phản ứng phân ly xảy ra và những ảnh hưởng của điện tích của các nhĩm đã ion hĩa cũng như các trung tâm mang điện tích đến q trình phân ly proton.
Trong nghiên cứu của luận án, điều đáng lưu ý ở đây là các giá trị pKa của nấc phân ly thứ ba tương ứng với proton cuối cùng của axit asenic cũng như của nấc phân ly thứ hai và thứ ba của axit asenơ, hầu như khơng cĩ giá trị thực tế về mặt hĩa học phân tích; song về mặt lý thuyết, nhờ các phần mềm tính tốn và máy tính sẽ cho thấy một bức tranh tổng quát về sự tồn tại của các dạng sản phẩm phân ly của các axit asenơ và asenic.
Như đã phân tích trong mục 2.2., tác động của các dung mơi hữu cơ trong nước đến quá trình phân ly của axit asenơ và asenic sẽ được khảo sát và đánh giá trong các mục tiếp theo.
3.1.1. Sự phân ly của axit asenơ và axit asenic trong hệ dung mơi etanol - nƣớc nƣớc
3.1.1.1. Đường cong chuẩn độ của axit asenơ và axit asenic trong hệ dung mơi etanol - nước
Chuẩn độ axit asenơ và asenic bằng dung dịch NaOH được tiến hành chi tiết như trình bày trong mục 2.3.2. Kết quả chuẩn độ trong dung mơi là nước đề oxy và nước - etanol với các tỷ lệ thể tích etanol/nước là 30/70, 50/50 và 70/30 được được trình bày trong bảng 3.1. Từ các kết quả chuẩn độ trong bảng 3.1., đường cong chuẩn độ được thiết lập bằng phần mềm Excel và được trình bày trên các hình 3.1 và 3.2.
Bảng 3. 1. Kết quả chuẩn độ dung dịch H3AsO4 0,1M và H3AsO3 0,1M bằng dung dịch NaOH 0,1M trong hệ dung mơi etanol - nước
VNaOH (ml)
pH của dung dịch H3AsO4 trong etanol - nƣớc
pH của dung dịch H3AsO3 trong etanol - nƣớc 0 % 30% 50% 70% 0% 30% 50% 70% 0 1,67 1,90 2,18 2,26 5,86 6,13 6,48 6,75 5 1,81 2,07 2,31 2,49 7,13 7,38 7,65 7,87 10 1,95 2,21 2,45 2,64 8,31 8,57 8,83 9,12 15 2,23 2,48 2,71 2,97 9,20 9,43 9,72 9,93 20 2,52 2,73 2,95 3,18 9,63 9,82 10,05 10,21 25 2,86 3,14 3,42 3,64 9,84 10,03 10,22 10,36 30 4,60 4,87 5,15 5,39 10,65 10,91 11,18 11,43 35 6,18 6,41 6,67 6,94 11,43 11,62 11,84 12,01 40 6,64 6,83 7,13 7,41 11,64 11,78 11,97 12,11 45 6,96 7,26 7,58 7,82 11,76 11,89 12,03 12,19 50 7,35 7,63 7,86 8,08 11,91 11,95 12,17 12,22 55 7,76 8,02 8,31 8,57 12,07 12,13 12,25 12,28 60 9,23 9,42 9,61 9,77 12,22 12,23 12,31 12,34 65 10,72 10,94 11,17 11,37 12,32 12,32 12,38 - 70 11,14 11,36 11,51 11,63 12,40 12,41 - - 75 11,42 11,58 11,64 11,72 12,46 12,44 - - 80 11,57 11,75 11,83 11,89 12,50 12,46 - - 85 11,76 11,91 11,95 11,99 12,54 12,51 - - 90 11,87 11,93 12,05 12,08 12,57 12,54 - - 95 11,92 12,03 12,13 12,17 12,60 12,59 - - 100 12,07 12,16 12,22 12,26 12,63 12,62 - -
Hình 3. 1. Đường cong chuẩn độ của dung dịch H3AsO4 0,1M với 0,1 M NaOH trong hệ dung mơi etanol - nước (vol/vol)
Hình 3. 2. Đường cong chuẩn độ dung dịch axit H3AsO3 0,1M với 0,1 M NaOH trong hệ dung mơi etanol - nước (vol/vol)
Từ kết quả trên bảng 3.1 và đường cong chuẩn độ trên các hình 3.1 và 3.2 cho thấy sự cĩ mặt của etanol đã kiềm chế sự phân ly của cả axit asenơ và
axit asenic làm cho đường cong chuẩn độ của chúng chuyển dịch đáng kể về phía pH cao hơn. Sự chuyển dich này cũng cĩ sự khác biệt giữa axit asenơ và axit asenic, nhưng khơng nhiều. Khi tỷ lệ etanol tăng từ 0,0 đến 70,0% ở những khoảng bước nhấy thứ nhất và thứ hai của axit asenic, đường cong chuẩn độ dịch chuyển trung bình là 0,69 độ pH. Trong khi đĩ độ dịch chuyển đường cong chuẩn độ của axit asenơ ở nấc phân ly thứ nhất trung bình lên tới 0,81 độ pH. Như vậy dù là rất nhỏ, nhưng mơi trường etanol - nước đã kéo dãn sự chênh lệch giữa sự phân ly của axit asenic và asenơ 0,12 độ pH. Dạng đường cong chuẩn độ ở nấc thứ nhất và thứ hai của axit asenic và nấc thứ nhất của axit asenơ hầu như khơng cĩ sự thay đổi đáng kể nào. Do cĩ sự chuyển dịch về phía pH cao hơn khi nồng độ etanol tăng, nên ở tỷ lệ 70,0% etanol trong nước, sự phân ly của proton cuối cùng của axit asenic hay proton thứ hai của axit asenơ càng khơng rõ ràng và mờ nhạt hơn. Các số liệu ở vùng này chỉ cĩ thể sử dụng trong các tính tốn lý thuyết chứ khơng cĩ ý nghĩa trong phân tích.
Trên các đường cong chuẩn độ cũng cho thấy ở nấc phân ly thứ ba của axit asenic (pH > 11,5) và nấc phân ly thứ hai của axit asenơ (pH > 12,0) hình thành những hệ đệm mạnh. Sự phân ly của nước hầu như khơng cĩ ảnh hưởng đến pH của dung dịch trong vùng này. Sự tăng của giá trị pH được quyết định bởi các hệ đệm nĩi trên và lượng dung dịch NaOH thêm vào. Chính vì vậy mà tác dụng của etanol cũng giảm dần và cuối cùng gần như khơng đáng kể khiến cho các đường cong chuẩn độ chụm lại gần như trùng nhau ở các điểm cuối cùng kết thúc quá trình chuẩn độ.
3.1.1.2. Các giá trị hằng số phân li các nấc của axit asenơ và axit asenic trong hệ dung mơi etanol - nước
Như trình bày trong mục 2.3.3, giá trị hằng số phân ly các nấc (ki) của
pKa theo phần mềm này được mơ tả ở phụ lục số 6. Giá trị pKa của các axit asenơ và asenic theo tính tốn dựa trên số liệu của đường cong chuẩn độ ở mục 3.1.1 được trình bày trong bảng 3.2.
Bảng 3. 2. Hằng số phân li các nấc của axit H3AsO3 và axit H3AsO4 trong hệ dung mơi etanol - nước Hằng số phân li H3AsO4 trong H2O [49, 94]
H3AsO4 trong etanol - nước (% V) từ thực nghiệm
H3AsO3 trong
H2O [49, 94]
H3AsO3 trong etanol - nước (% V) từ thực nghiệm 0% 30% 50% 70% 0% 30% 50% 70%
pK1 2,20 2,23 2,47 2,71 2,96 9,22 9,20 9,48 9,72 9,97
pK2 6,97 6,96 7,26 7,58 7,82 12,13 11,76 11,89 12,03 12,19
pK3 11,53 11,42 11,58 11,64 11,72 13,40 12,46 12,48 12,49 12,53
Từ kết quả trên bảng 3.2. cĩ thể thấy rằng kết quả tính tốn hằng số