Bảng 2. 1. Tĩm tắt điều kiện tối ưu xác định As bằng phương pháp HG-AAS
Các thơng số Khoảng khảo sát Giá trị lựa chọn Các thơng số Khoảng khảo sát Giá trị lựa chọn Vạch phổ 193,7nm Mơi trường khử HCl 1M - HCl 10M HCl 6M Cường độ dịng đèn 6 - 8mA 7mA Nồng độ chất khử NaBH4 0,2 - 2% 1% Chiều cao ngọn lửa 12-20mm 16mm Tốc độ dịng NaBH4 1,5 - 3,5 ml/phút 2 ml/phút Tốc độ dịng khí C2H2 1-2,4 L/phút 1,8 L/phút Tốc độ dịng mẫu 3-10 ml/phút 6 ml/phút Tốc độ dịng khơng khí 8 L/phút Khoảng tuyến tính 0,2-18 ppb 0,2-10 ppb
2.3.2. Lập đƣờng cong chuẩn độ axit asenơ và asenic với bazơ mạnh (NaOH) trong mơi trƣờng nƣớc - dung mơi hữu cơ
Như đã trình bày trong phần tổng quan, cĩ nhiều dung mơi hữu cơ tan tốt trong nước và cĩ thể làm thay đổi cấu trúc cũng như tính chất của nước. Với đặc thù của các nghiên cứu đối với hai dạng axit tồn tại song song của asen là asenơ và asenic, dung mơi được chọn ngồi khả năng tạo ra các tác động tích cực như trình bày trong mục 2.2, phải đảm bảo khơng ảnh hưởng đến quá trình chuẩn độ axit - bazơ, khơng cĩ các tính chất cĩ thể làm thay đổi
bản chất hĩa học của các dạng tồn tại của As(III) vơ cơ và As(V) vơ cơ như cĩ tính khử hay tính oxi hĩa hay tạo các hợp chất liên hợp tronng suốt quá trình nghiên cứu. Trong số các dung mơi “an tồn” nhất gồm cĩ axeton, etanol, n-propanol, n-butanol cĩ các hằng số điện mơi tương ứng là 20,7; 24,5; 20,0 và 18,0 (so với nước là 80,0) [20]; chúng tơi chọn etanol và axeton trong các nghiên cứu đầu tiên cho luận án này.
Trong quá trình nghiên cứu, dung mơi hữu cơ được trộn với nước đề oxy theo các tỷ lệ tăng dần 30%, 50% và 70%. Nồng độ ban đầu của các axit asenơ và asenic đều là 0,100 M và nồng độ NaOH cũng là 0,100 M và đều được pha trong mơi trường dung mơi hữu cơ - nước theo các tỷ lệ nghiên cứu. Quá trình chuẩn độ axit asenơ được tiến hành trong mơi trường nitơ, sử dụng hộp cách ly như mơ tả trên hình 2.1. Trước khi tiến hành chuẩn độ, các dung dịch axit và kiềm được sục khí nitơ 20 phút để đuổi hết oxi hịa tan; van cấp nitơ của hộp cách ly được mở để đuổi hết khơng khí ra ngồi và sẽ cấp nitơ liên tục suốt quá trình chuẩn độ.
Đối với axit asenic quá trình chuẩn độ tuy khơng cần tránh oxi khơng
khí; song cũng cần tránh ảnh hưởng của CO2 nhất là ở giai đoạn cuối; cho nên
vẫn được tiến hành tương tự như đối với axit asenơ.
Thí nghiệm chuẩn độ riêng rẽ các axit asenơ (H3AsO3) và axit asenic (H3AsO4) được cài đặt với các thơng số như sau:
- Thể tích dung dịch axit cho mỗi lần chuẩn độ: 30ml; - Nhiệt độ trong quá trình chuẩn độ được giữ ở 25oC; - Khuấy trộn dung dịch bằng máy khuấy từ;
Hình 2. 1. Sơ đồ hộp cách ly dùng trong chuẩn độ các axit asen
- Thể tích dung dịch NaOH đưa vào trong quá trình chuẩn độ trung hịa theo từng xung và thể tích mỗi xung là 0,5ml; khi đến sát điểm tương đương mỗi xung NaOH thêm vào giảm xuống cịn 0,1ml.
- Thời gian để phản ứng xảy ra hồn tồn giữa các xung NaOH (pH ổn định, khơng thay đổi) là 20 giây.
Cứ như vậy quá trình chuẩn độ tiếp tục cho đến khi kết thúc. Kết quả chuẩn độ (các giá trị pH và thể tích dung dịch NaOH tiêu thụ tương ứng) được ghi lại và kết quả cuối cùng để lập đường cong chuẩn độ là giá trị trung bình của ba lần thí nghiệm song song.
2.3.3. Xác định hằng số phân ly và vẽ giản đồ phân bố các cấu tử của axit H3AsO4 và H3AsO3 trong các hệ dung mơi khác nhau H3AsO4 và H3AsO3 trong các hệ dung mơi khác nhau
Như chúng ta đều đã biết, trong dung dịch, các axit asenơ và asenic phân ly theo các phương trình sau:
H3AsOn → H2AsOn- + H+ k1 (2.1); H2AsOn- → HAsOn2- + H+ k2 (2.2); HAsOn2- → AsOn3- + H+ k3 (2.3).
Với n = 3 (H3AsO3) hoặc n = 4 (H3AsO4), ki (i=1, 2, 3) là các hằng số phân ly các nấc. Như vậy trong dung dịch sẽ tồn tại các cấu tử H3AsOn, H2AsOn-, HAsOn2-, AsOn3-; phần trăm phân ly (α%) của các cấu tử được tính theo các cơng thức sau [2]:
3 n 3 H AsO 3 2 1 1 2 1 2 3 [H ] [H ] k [H ] k k [H ]+k k k (2.4); 2 n 2 1 3 2 H AsO 1 1 2 1 2 3 k [H ] [H ] k [H ] k k [H ]+k k k (2.5); 2 n 1 2 3 2 HAsO 1 1 2 1 2 3 k k [H ] [H ] k [H ] k k [H ]+k k k (2.6); 3 n 1 2 3 3 2 AsO 1 1 2 1 2 3 k k k [H ] k [H ] k k [H ]+k k k (2.7).
Các giá trị ki tính cho các phương trình phân ly (2.1), (2.2), (2.3) được tính tốn bằng phần mềm ACD/pKa DB 12.0. Đường cong chuẩn độ và giản đồ phân bố các cấu tử theo pH được xây dựng trên phần mềm Excel dựa vào các phương trình (2.4), (2.5), (2.6), (2.7) sau khi đã cĩ các giá trị ki. Phần
mềm ACD/pKa DB 12.0 là phần mềm chuyên dụng để tính các giá trị k phân
ly của axit ở các giá trị pH (nồng độ ion H+ khác nhau).
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 quá 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