2 CHƯƠNG : NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1 Khảo sát các điều kiện thí nghiệm trên máy AA 800 (Perkin Elner)
Trong suốt quá trình thực hiện đề tài, một số thông số vận hành máy được cố định do nhà sản xuất đưa ra.
ω Đèn phóng điện phi điện cực (EDL) As; cường độđèn: 380 mA.
ω Bước sóng: 193.7 nm.
ω Độ rộng khe: 0.7 nm
ω Khí mang argon 99.999%
3.1.2Chọn áp suất của thiết bị tạo hơi hydride (FIAS 100).
Do thiết bị tạo hơi hydride (FIAS 100) bị hạn chế việc điều chỉnh tốc độ bơm nên chúng tôi cố định áp suất khí mang tương ứng với 70 mL/phút khí mang Ar trong suốt quá trình thực hiện đề tài.
3.2 Khảo sát và chọn các điều kiện tạo hợp chất hydride của As 3.2.1Khảo sát tốc độ bơm nhu động.
Do thiết bị tạo hơi hydride –FIAS 100 có hạn chế là các nút điều chỉnh dây dẫn các chất mang NaBH4, HCl, mẫu và chất thải không thể tựđộng nên có một sốđiều cần lưu ý khi vận hành thiết bị:
(1) Mức độ xiết chặt các dây dẫn dựa vào quan sát mức độ đều đặn của dòng chất lỏng chạy qua bơm, nếu xiết chặt nhiều sẽ ảnh hưởng đến lưu lượng dòng chảy không đều cũng nhưđộ bền của các ống dây dẫn.
(2) Tốc độ quay của bơm khảo sát được cài đặt trên thiết bị thông qua phần mềm, và thực hiện đo lưu lượng các dây dẫn chất lỏng tương ứng.
Khảo sát tốc độ bơm 0.1 0.12 0.14 0.16 60 70 80 90 100 110 120
Chỉ số biểu kiến của pump
ABS
Blank
As 2ppb- Tính theo S
Hình 3.1: Sự phụ thuộc của độ hấp thu A(III) 2 ppb vào tốc độ hút mẫu, dung dịch NaBH4 0.2% và HCl 3N.
Kết quả thí nghiệm cho thấy khi tốc độ quay của bơm tăng thì độ hấp thu của dung dịch chuẩn cũng tăng do tăng tốc độ hút mẫu, NaBH4 và HCl, nhưng khi chỉ số biểu kiến của bơm từ 90 đến 120 thì độ hấp thu gần như không tăng mà còn có chiều hướng giảm và dễ làm ướt màng lọc của bộ tách lỏng khí.
Vì vậy để đảm bảo tuổi thọ của bơm và các dây dẫn, đồng thời tránh làm màng lọc của bộ tách lỏng khí bị ướt, chỉ số bơm từ 90 đến 110 là khoảng tốc độ tối ưu cho các khảo sát tiếp theo, tương ứng với tốc độ hút mẫu 5.5 mL/phút, NaBH4 3 mL/phút và HCl 6mL/phút.
3.2.2 Tối ưu nồng độ HCl
HCl là chất tạo môi trường phản ứng và được áp dụng phổ biến trong kỹ thuật hydride ở nồng độ từ 1N đến 5N và cũng có một số tài liệu khảo sát HCl ở mức cao hơn. Trong đề tài này, HCl được khảo sát từ 1N ÷ 5N, cụ thể như sau:
Dùng dung dịch chuẩn As 2 ppb (đã được pha ở mục 2.7.3.6), cố định các thông số trong quá trình khảo sát:
9 Mức độ xiết chặt các dây dẫn (định tính).
9 Tốc độ hút mẫu, NaBH4, HCl tương ứng chỉ số biểu kiến của bơm là 100. 9 Nồng độ chất khử, NaBH4 là 0.2%.
Chỉ thay đổi nồng độ HCl (chất mang) trong khoảng nồng độ 1N ÷ 5N (đã được pha theo mục 2.7.3.2), thu được các kết quả và đồ thị như sau:
Tối ưu nồng độ HCl 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 1 2 3 4 5 Nồng độ HCl (N) AB S As 2ppb- Tính theo S As 2ppb- Tính theo H
Hình 3.2: Sự phụ thuộc của độ hấp thu dung dịch chuẩn As(III) 2 ppb vào nồng độ chất mang HCl, tốc độ quay của bơm là 100, nồng độ NaBH4 0.2%
Dựa vào kết quả của hình 3.2, độ hấp thu của dung dịch chuẩn As bị ảnh hưởng theo nồng độ của chất mang (HCl), khi nồng độ HCl tăng thì độ hấp thu của As cũng tăng. Môi trường acid càng cao thì sự phân hủy NaBH4 càng tốt, dẫn đến số nguyên tử [H] linh động tạo ra càng nhiều. Từ đó, lượng hơi arsine AsH3 sinh ra càng cao nên tăng độ nhạy.
NaBH4 + 3H2O + HCl Æ H3BO3 + NaCl + 8[H] As(III) + 6[H] Æ AsH + 3H+
Tuy nhiên, việc sử dụng acid nồng độ cao gây việc ăn mòn thiết bị cũng như không hiệu quả kinh tế trong khi đó độ hấp thu của As cũng không tăng nhiều khi nồng độ HCl tăng từ 3N đến 5N. Do đó, HCl 3N được dùng để khảo sát tiếp theo.
3.2.3Tối ưu nồng độ NaBH4:
Nồng độ NaBH4 sử dụng để tạo hydride rất quan trọng bên cạnh HCl, đây là tác nhân khử chủ yếu tạo ra hơi arsine và ảnh hưởng rất lớn đến độ nhạy. Lượng NaBH4 thiếu sẽảnh hưởng đến quá trình tạo hydride không tốt, nếu dư nhiều thì tốn hóa chất, không kinh tế. Hơn nữa, H2 sinh ra do phản ứng phân hủy NaBH4 trong môi trường acid vừa tạo thành những bọt nhỏ bám trên đường ống dây dẫn, làm cho tín hiệu không ổn định. Lượng H2 sinh ra có vai trò tích cực trong việc nguyên tử hóa As theo cơ chế phản ứng sau:
H2↔ 2H+ H+ + O2↔ OH+ + O+ O+ + H2 ↔ OH+ + H+ OH+ + H2↔ H2O + H+ AsH3 + H+↔ AsH2 + H2 AsH2 + H+↔AsH + H2 AsH + H+ ↔As + H2 Thực hiện khảo sát NaBH4 từ nồng độ 0.1% đến 0.6% m/v, cụ thể như sau:
Dùng dung dịch chuẩn As 2 ppb (đã được pha ở mục 2.7.3.6), cốđịnh các thông số trong quá trình khảo sát:
9 Mức độ xiết chặt các dây dẫn (định tính).
9 Tốc độ hút mẫu, NaBH4, HCl tương ứng chỉ số biểu kiến của bơm là 100. 9 Nồng độ chất mang, HCl là 3N.
Chỉ thay đổi nồng độ NaBH4 (chất khử) từ nồng độ 0.1% đến 0.6% (đã được pha theo mục 2.7.3.4), thu được kết quả sau:
Tối ưu nồng độ NaBH4 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Nồng độ NaBH4 AB S As 2ppb- Tính theo S As 2ppb- Tính theo H
Hình 3.3: Sự phụ thuộc của độ hấp thu dung dịch chuẩn As(III) 2 ppb vào nồng độ NaBH4, tốc
độ quay của bơm là 100, nồng độ HCl 3N.
Kết quả hình 3.3 cho thấy khi nồng độ NaBH4 thấp thì độ hấp thu của As có giá trị thấp và tăng dần lên khi tăng nồng độ của NaBH4. Khi nồng độ NaBH4 từ 0.5% đến 0.6% thì độ hấp thu của As không tăng lên nhiều. Đề tài cũng đã được khảo sát ở các nồng độ NaBH4 cao hơn, lên đến 1%, 2% nhưng do thiết bị tạo hơi hydride hiện có bị hạn chế, hơi sinh ra nhiều làm ướt màng lọc và làm độ hấp thụ của As không ổn định và mất tín hiệu khi nồng độ NaBH4 tăng cao. Do đó, nồng độ của NaBH4 ở 0.5% m/v được chọn để khảo sát các bước sau, vừa kinh tế vừa có độ hấp thu của As tương đối cao và ổn định.
Hay nói cách khác, qua các bảng số liệu được khảo sát, các nồng độ HCl từ 1N đến 5N với nồng độ của NaBH4 ở 0.2% m/v và 0.5% m/v, kết quả thu được trình bay trong hình 3.4.
Tối ưu HCl và NaBH4 0.1 0.15 0.2 0.25 1 2 3 4 5 Nồng độ HCl (N) AB S As 2ppb- Trong NaBH4 0,2% As 2ppb- Trong NaBH4 0,5%
Hình 3.4: Sự phụ thuộc độ hấp thu của As(III) 2 ppb vào nồng độ HCl và NaBH4 0.2% m/v; 0.5% m/v với tốc độ bơm 100.
Qua hình 3.4, với nồng độ HCl 3N được cố định thì mức độ tăng độ hấp thu của As 2 ppb ở nồng độ của NaBH4 0.5% thấp hơn so với nồng độ NaBH4 0.2% nhiều, tức là mức độ ảnh hưởng khi thay đổi nồng độ HCl thấp, tín hiệu đo ổn định khi nồng độ chất khử đủ lớn. Như vậy, kết hợp với các kết quả thực nghiệm thu đuợc qua việc khảo sát các thông số (trình bày ở các phần trước), để đuợc tín hiệu phân tích đủ nhay và ổn định, nên chọn điều kiện vận hành hệ FIAS như sau: HCl 3N, NaBH4 0.5% m/v cũng như tốc độ bơm biểu kiến là 100.
3.3 Khảo sát thời gian tích góp trên FIAS 100.
Dung dịch chuẩn As 2 ppb (được pha ở mục 2.7.3.6) được dùng khảo sát, với các thông sốđược cốđịnh:
(1) Tốc độ hút mẫu 5.5 mL/phút, NaBH4 (0.5%) 3 mL/phút, HCl (3N) 6 mL/phút (tương ứng với chỉ số biểu kiến của bơm là 100).
(3) Chương trình thực hiện của thiết bị hóa hơi (theo bảng 2.3), chỉ khảo sát thời gian thực hiện ở bước 3 của thiết bị này.
Mẫu được tiến hành qua thiết bị tạo hydride, FIAS 100 với các bước thực hiện từ prefill đến bước 2 theo hướng dẫn của thiết bị (được mô tả qua bảng 2.3), chỉ có bước 3 là bước quan trọng, lượng mẫu trong loop được tiêm cùng với dòng khí, phản ứng xảy ra và lượng hydride vào trong ống graphite trong thời gian này.
Đây là kỹ thuật ghép nối giữa hệ thống hóa hơi hydride với lò graphite nên khi mẫu được thực hiện trên thiết bị hóa hơi (FIAS) ở giai đoạn 2 (thời gian tính đến cuối giai đoạn 1 là 25 s) thì cũng là lúc bước 1 của chương trình lò graphite bắt đầu được thực hiện và kéo dài trong 50 s, giai đoạn này không thổi khí mang, mục đích là bẫy toàn bộ lượng hydride đến từ thiết bị FIAS qua bộ kít nối FIAS với lò graphite (xem sơđồ các bước thực hiện qua hình 2.3).
Do đó để lượng hydride sinh ra từ thiết bị hóa hơi không bị thất thoát khi chuyển qua lò graphite thì tổng thời gian thực hiện của FIAS ở bước 2 (thời gian làm đầy mẫu trong loop là 5 s) và bước 3 (thời gian tích góp) phải < 50 s (thời gian thực hiện bước 1 trong chương trình nhiệt của lò graphite).
Theo dõi các quá trình diễn ra trong hệ FIAS, về nguyên tắc thời gian để lượng mẫu trong loop được tiêm cùng với dòng khí, phản ứng xảy ra và lượng arsine sinh ra trong hệ FIAS đuợc chuyển vào trong ống graphite là như nhau. Thực tế quan sát thấy thời gian tích góp có ảnh huởng dù không nhiều đến độ nhạy của thiết bị. Thời gian càng dài, tín hiệu phân tích càng tăng, đặc biệt là tín hiệu tính theo chiều cao peak. Có vài nguyên nhân khả dĩ gây ra hiện tượng này: lượng AsH3 thực sự lưu giữ trong lò graphite càng nhiều khi tăng thời gian tích góp, hoặc/và thời gian càng lâu thì sự lưu giữ và chuyển hóa AsH3 trong lò graphite càng hiệu quả, dạng tồn tại của As trong lò càng đồng nhất nên các peak càng đối xứng và tín hiệu chiều cao các peak càng tăng. Do đó, thời gian tích góp từ 20 đến 40 s.được khảo sát trong đề tài này, xem hình 3.5. Nhận thấy trong toàn bộ thời gian khảo sát, tín hiệu diên tích
Khảo sát thời gian tích góp 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 20 25 30 35 40 Thời gian ( Giây) AB S As 2ppb- Tính theo s As 2ppb- Tính theo H
Hình 3.5: Sự phụ thuộc độ hấp thu As (III) 2 ppb vào thời gian tích góp trên FIAS 100 với NaBH4 0.5%m/v; HCl 3N và tốc độ bơm 100.
3.4 Khảo sát nhiệt độ nguyên tử hóa arsen trong chương trình nhiệt của lò graphite. graphite.
Dung dịch chuẩn As 2 ppb (được pha ở mục 2.7.3.6) được dùng khảo sát, với các thông sốđược cốđịnh:
(1) Tốc độ hút mẫu 5.5 mL/phút, NaBH4 (0.5%) 3 mL/phút, HCl (3N) 6 mL/phút ( tương ứng với chỉ số biểu kiến của bơm là 100).
(2) Chương trình thực hiện của thiết bị hóa hơi (theo bảng 2.3).
(3) Chương trình nhiệt độ của lò graphite (theo bảng 2.4), chỉ thay đổi bước 3 là nhiệt độ nguyên tử hóa, các bước khác cốđịnh.
Trước tiên, As trong mẫu phải được chuyển sang dạng hơi hydride. Mẫu được nạp vào loop. Lúc này dòng acid HCl 3N làm chất mang và NaBH4 0.5% làm chất khửđược bơm liên tục. Mẫu được trộn với dòng acid, trộn với dòng NaBH4 và dòng khí trơ. Phản ứng tạo hơi arsine diễn ra. Hơi arsine, sau khi được tạo thành từ thiết bị tạo hơi hydride-FIAS 100, được chuyển vào lò graphite nhờ bộ kit nối FIAS với
lò. Sau khi arsine bị bẫy vào thành lò, tương tự như các kỹ thuật lò thông thường, arsine được nguyên tử hóa thành hơi As ở nhiệt độ cao. Khác với nguyên tử hóa trong ống thạch anh ở nhiệt độ thấp có sự hỗ trợ của các gốc tự do H và OH vốn rất nhạy cảm với các yếu tố khác trong môi trường nguyên tử hóa, sự nguyên tử hóa As trong lò graphite thuần túy là do phân hủy nhiệt. Như vậy, nhiệt độ có ảnh hưởng đến mức độ nguyên tử hóa As tức là ảnh hưởng đến độ hấp thu của As. Ảnh hưởng này đuợc khảo sát và kết quảđuợc trình bày trong hình 3.6.
Khảo sát nhiệt độ nguyên tử hóa
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 1900 1950 2000 2050 2100 2150 Nhiệt độ ( oC) AB S As 2ppb- Tính theo S As 2ppb- Tính theo H
Hình 3.6: Sự phụ thuộc độ hấp thu As(III) 2 ppb vào nhiệt độ nguyên tử hóa với các thông số
NaBH4 0.5%; HCl 3N và tốc độ bơm 100.
Qua quá trình khảo sát, các tín hiệu được theo dõi, quan sát và thấy được khi nhiệt độ nguyên tử hóa thấp thì có một số tín hiệu như chân peak không sát nền, gãy, cũng như chân peak kéo dài , được miêu tả trong hình 3.7:
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
Hình 3.7: Tín hiệu các peak của As (III) 2 ppb ở các nhiệt độ nguyên tử hóa: (a): 19000C, (b): 19500C, (c): 20000C, (d): 20500C, (e): 21000C, (f): 21500C
Qua hình 3.7, các peak được quan sát thấy ở nhiệt độ nguyên tử hóa từ 19000C đến 20500C, chân peak không sắc nét và kéo dài. Điều đó chứng tỏ nhiệt độ nguyên
tử hóa không đủ cao, As trên bề mặt lò bay hơi chậm. Khi nhiệt độ nguyên tử hóa tăng từ 21000C trở lên thì peak sắc nét, As bay hơi nhanh hơn, hoàn toàn hơn, nhưng nếu tăng cao quá (> 21500C) thì độ hấp thu của nguyên tử As tính theo diện tích peak giảm hẳn do thời gian lưu của nguyên tử As trong quang lộ thấp hơn và nếu tăng nhiệt độ > 23000C thì Ir trên bề mặt ống graphite sẽ bị mất. Điều này cũng đuợc minh chứng qua quan sát (ước lượng) chiều cao peak hấp thu của As khi nhiệt độ tăng. Độ hấp thu tính theo chiều cao càng lớn, sự bay hơi As càng đột ngột và phân tích viên có thể căn cứ vào thông tin này để đặt nhiệt độ nguyên tử hóa phù hợp.
Như vậy, trong trường hợp này, 21500C là nhiệt độ nguyên tử hóa giới hạn. Theo nguyên tắc, nếu nguyên tử hóa mẫu ở nhiệt độ > nhiệt độ nguyên tử hóa giới hạn thì cường độ vạch phổ bị giảm và không ổn định.
Do đó, nhiệt độ nguyên tử hóa được áp dụng trong đề tài này là 21000C đáp ứng được lý thuyết và thực nghiệm, đồng thời kéo dài được tuổi thọ của tube graphite.
3.5 Khảo sát điều kiện khử As(V) về As(III)
3.5.1Ảnh hưởng nồng độ acid ascorbic đến phản ứng khử As(V) Æ As(III)
As thường tồn tại trong mẫu ở hai trạng thái oxy hóa +3 và +5 và sau khi vô cơ hóa mẫu bằng các chất oxy hóa mạnh thì tồn tại ở dạng oxy hóa +5. Khả năng tạo hydride của hai trạng thái này rất khác nhau, As(V) sinh ra hydride chậm hơn so với As(III) tùy theo điều kiện phân tích cụ thể. Vì vậy việc chuyển từ trạng thái As(V) sang As(III) trước khi phân tích là bắt buộc và cần được tối ưu để tăng độ chính xác của kết quảđo.
Thông qua các tài liệu tham khảo 20, 25, nồng độ acid ascorbic được khảo sát từ 0.05% đến 0.30%, dung dịch chuẩn As 2 ppb được thực hiện như sau:
Bảng 3.1: Chuẩn bị dung dịch chuẩn As 2 ppb dùng khảo sát nồng độ chất khử acid ascorbic/KI tham gia phản ứng khử As (V) về As(III):
Dd chuẩn As(V) 50μg/L (mL) 1 Dd HCl (1: 1) (mL) 2.0
Hỗn hợp acid ascorbic/KI (12.5%/25%) (mL) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Nước cất (mL) 21.9 21.8 21.7 21.6 21.5 21.4 Nồng độ As (V) (μg/L) 2
Tất cả mẫu trên được thực hiện trong ống thủy tinh có khắc vạch thể tích 25 mL, có nắp đậy kín. Các ống dung dịch chuẩn được đưa vào bếp cách thủy đun ở 800C. Khi nhiệt độ dung dịch trong ống đạt đến 800C thì các ống dung dịch được giữổn định nhiệt độ trong 15 phút để khử dung dịch As (V) về As(III). Để nguội và chuẩn bị tiến hành đo trên máy với các điều kiện đã được khảo sát trước đó.
Kết quả thu được qua hình 3.8 như sau:
Khảo sát nồng độ acid Ascorbic 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 Nồng độ Acid ( % ) AB S As 2ppb- T ính theo S As 2ppb- T ính theo H
Hình 3.8: Sự phụ thuộc độ hấp thu của As(III) 2 ppb vào nồng độ hỗn hợp acid ascorbic/KI khử
As(V) về As(III). NaBH4 0.5%, HCl 3N và tốc độ bơm 100
Qua đồ thị 3.8 cho thấy nồng độ hỗn hợp acid ascorbic/KI ảnh hưởng đến độ hấp thu của As(III). Điều đó chứng tỏ, nồng độ acid ascorbic tăng làm sự khử As(V) về As(III) nhiều hơn, nhưng đến nồng độ≥ 0.25% thì độ hấp thu không tăng nhiều. Do
đó, nồng độ hỗn hợp acid ascorbic/KI từ 0.25% đến 0.30% sẽ được sử dụng cho