2.1.1. Hóa chất
- Nước cất hai lần.
- Dung dịch HNO3 đặc 65% loại PA (Merck - Đức).
- Dung dịch chuẩn gốc các ion kim loại: đồng, chì, mangan, crom, magie nồng độ 1000 ppm, loại Merck của Đức.
2.1.2. Dụng cụ
- Các dụng cụ lấy mẫu và bảo quản mẫu làm bằng nhựa polietilen. - Bình định mức các loại: 25ml, 50ml, 100ml, 250ml, 500ml, 1000ml. - Cốc thuỷ tinh chịu nhiệt các loại:50 ml ,100ml, 150ml, 400ml, 600ml.
- Pipet các loại: 0,1ml; 0,2ml; 0,5ml; 5ml; 10ml. - Giấy lọc, giấy chỉ thị pH.
2. 1.3. Thiết bị máy móc
- Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử Shimadzu 6300 của Nhật Bản, hệ thống lò graphit GF7A, hệ thống làm mát MU, hệ thống đưa mẫu tự động RX.
- Máy cất nước hai lần Hamilton - Anh.
- Các dụng cụ phụ trợ khác như: cân phân tích có độ chính xác tới 0,0001(g), bếp điện, tủ lạnh, tủ sấy, tủ hốt, …
2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Chúng tôi sử dụng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (GF-AAS) để xác định hàm lượng các nguyên tố kim loại đồng, chì, cadimi, mangan trong các mẫu nước phân tích.
Phương pháp AAS là một trong những phương pháp hiện đại, phổ biến được sử dụng trong các phòng thí nghiệm phân tích trên thế giới. Phương pháp này xác định được hàm lượng hầu hết các kim loại trong mọi loại mẫu sau khi đã chuyển hoá chúng về dạng dung dịch. Để phân tích hàm lượng chất phân tích nhỏ (ở dưới giới hạn đinh lượng) người ta vẫn phải làm giàu hàm lượng của nguyên tố này lên nhiều lần trong các đối tượng nghiên cứu. Vì quá trình làm giàu rất dễ bị nhiễm bẩn, nên để hạn chế nhược điểm này, kỹ thuật nguyên tử hoá không ngọn lửa (GF-AAS) ra đời cho phép xác định chính xác tới hàm lượng ppb. Do đó, có thể bỏ qua giai đoạn làm giàu mẫu. Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử không ngọn
lửa (GF-AAS) để xác định hàm lượng các kim loại đồng, chì, cadimi, mangan, trong các mẫu nước cần phân tích.
Chúng tôi tham khảo các tài liệu để tìm điều kiện phù hợp cho các phép phân tích (các thông số tối ưu của máy). Sau đó dùng máy quang phổ Shimadzu 6300 của Nhật Bản để tiến hành đo trên mẫu chuẩn. Phân tích mẫu thật theo phương pháp đường chuẩn và đánh giá kết quả.
2.2.1. Kỹ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa [16]
Kỹ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa ra đời sau kỹ thuật nguyên tử hóa trong ngọn lửa. Nhưng kỹ thuật này được phát triển rất nhanh và hiện nay đang được ứng dụng rất phổ biến, vì kỹ thuật này cung cấp cho phép đo AAS có độ nhạy rất cao (mức nanogam ppb), có khi gấp hàng nghìn lần phép đo trong ngọn lửa.
Đặc điểm nữa của phép đo không ngọn lửa là đòi hỏi một lượng mẫu tương đối nhỏ. Thông thường mỗi lần đo chỉ cần lượng mẫu từ 20 - 50 µL. Do đó không cần nhiều lượng mẫu phân tích, việc chuẩn bị mẫu cũng dễ dàng và không tốn nhiều hóa chất cũng như các dung môi tinh khiết cao đắt tiền.
Về nguyên tắc, kỹ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa là quá trình nguyên tử hóa tức khắc trong thời gian rất ngắn nhờ năng lượng của dòng điện công suất lớn và trong môi trường khí trơ. Quá trình nguyên tử hóa xảy ra theo ba giai đoạn kế tiếp nhau: sấy khô, tro hóa luyện mẫu, nguyên tử hóa để đo phổ hấp thụ nguyên tử và cuối cùng là làm sạch cuvet. Trong đó hai giai đoạn đầu là chuẩn bị cho giai đoạn nguyên tử hóa để đạt kết quả tốt. Nhiệt độ trong cuvet graphit là yếu tố quyết định mọi sự diễn biến của quá trình nguyên tử hóa mẫu.
Hình 2.1. Các giai đoạn xảy ra trong lò Graphit
Quá trình nguyên tử hóa trong các dụng cụ đó đều xảy ra theo ba giai đoạn kế tiếp nhau trong thời gian tổng cộng từ 60 - 80 giây. Các giai đoạn đó là:
* Giai đoạn sấy khô mẫu:
Đây là giai đoạn đầu tiên của quá trình nguyên tử hóa mẫu. Nó có nhiệm vụ để cho dung môi hòa tan mẫu bay hơi nhẹ nhàng và hoàn toàn, nhưng không làm bắn mẫu, mất mẫu. Để thực hiện quá trình sấy tốt, đối với mỗi loại mẫu cần phải tiến hành nghiên cứu, phát hiện và chọn nhiệt độ thời gian sấy cho phù hợp. Nhiệt độ và thời gian sấy khô của mỗi loại mẫu phụ thuộc vào bản chất của các chất ở trong mẫu và dung môi hòa tan nó.
* Giai đoạn tro hóa luyện mẫu:
Mục đích là tro hóa (đốt cháy) các hợp chất hữu cơ và mùn có trong mẫu sau khi đã sấy khô, đồng thời nung luyện ở một nhiệt độ thuận lợi cho giai đoạn nguyên tử hóa tiếp theo đạt hiệu suất cao và ổn định. Nếu chọn nhiệt độ tro hóa quá cao thì một số hợp chất có thể bị phân hủy mất trong giai đoạn này.
Nhiệt độ tro hóa giới hạn là nhiệt độ mà sự tro hóa mẫu ở nhiệt độ đó và nhỏ hơn nó, thì cường độ vạch phổ là không đổi. Còn nếu tro hóa mẫu ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ đó thì cường độ vạch phổ bị giảm và không ổn định. Nhiệt độ tro hóa giới hạn của mỗi nguyên tố rất khác nhau, nó phụ thuộc bản chất của mỗi nguyên tố và phụ thuộc vào dạng hợp chất mà nguyên tố đó tồn tại, cũng như matrix (chất nền) của mẫu.
Ngoài yếu tố nhiệt độ thì tốc độ tăng nhiệt độ trong quá trình tro hóa cũng có ảnh hưởng đến độ ổn định của cường độ vạch phổ. Nói chung, tốc độ tăng nhiệt độ quá lớn thường làm bắn mẫu. Việc tăng chậm cho kết quả tốt hơn, nghĩa là phải thực hiện tro hóa luyện mẫu trong một thời gian không quá ngắn. Thông thường là từ 30-60 giây, với lượng mẫu đưa vào cuvet nhỏ hơn 100 µL.
* Giai đoạn nguyên tử hóa:
Đây là giai đoạn cuối cùng của quá trình nguyên tử hóa mẫu, nhưng lại là giai đoạn quyết định cường độ của vạch phổ. Song nó lại bị ảnh hưởng bởi hai giai đoạn trên. Giai đoạn này thực hiện trong thời gian rất ngắn, thông thường từ 3 – 6 giây, nhưng tốc độ thực sự lớn (1500 – 30000C/s) để đạt được nhiệt độ nguyên tử hóa trung bình và hoàn thành đo phổ. Nhiệt độ nguyên tử hóa của các nguyên tố khác nhau là không giống nhau. Khi nguyên tử hóa mẫu ở nhiệt độ cao hơn giới hạn nhiệt độ chuẩn, độ hấp thụ của phổ không tăng nhưng kết quả đo thường không ổn định và cuvet dễ bị hỏng. Ngoài nhiệt độ xác định, việc chọn thời gian nguyên tử hóa đúng cũng cần thiết trong bước này.
Ngoài ra còn có 2 quá trình phụ:
Làm sạch cuvet: thổi sạch chất trong cuvet, chuẩn bị cho lần phân tích tiếp theo. Nhiệt độ làm sạch cuvet thường cao hơn nhiệt độ nguyên tử hóa 1000C.
Làm nguội cuvet: Sau giai đoạn làm sạch cuvet, nhiệt độ cuvet còn rất cao, nếu bơm mẫu vào tiếp theo thì mẫu sẽ bị bắn hết vì thế cần có giai đoạn làm nguội cuvet để đưa cuvet về nhiệt độ phòng và sau đó bơm mẫu phân tích tiếp theo.
Ưu điểm: kỹ thuật nguyên tử hóa không ngọn lửa có độ nhạy của phép
đo cao (mức nanogam ppb), lượng mẫu ít, có thể tự động hóa, ứng dụng đụơc với nhiều nguyên tố trong nhiều loại nền khác nhau.
Nhược điểm: độ ổn định của phép đo không ngọn lửa thường kém phép
đo trong ngọn lửa, ảnh hưởng của phổ nền thường rất lớn.
2.2.2. Phương pháp đường chuẩn [16]
Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào phương trình cơ bản: Aλ = K.C và một dãy mẫu đầu (dãy mẫu chuẩn) để dựng một đường chuẩn, sau đó nhờ đường chuẩn này và giá trị Aλ để xác định nồng độ Cx của nguyên tố cần phân tích trong mẫu đo.
C7 C6 C5 C4 C3 Α λ C(mg/mL) Ax Cx C1 C2 0
Hình 2.2. Đồ thị của phương pháp đường chuẩn
Trước hết phải chuẩn bị một dãy mẫu chuẩn và các mẫu phân tích trong cùng điều kiện. Ví dụ dãy mẫu chuẩn của nguyên tố X cần xác định có nồng
độ C1, C2, C3, C4, C5 (mg/ml)…và các mẫu phân tích CX1, CX2, CX3…, rồi chọn một quá trình phân tích phù hợp để đo phổ. Đo các mẫu chuẩn và các giá trị mẫu phân tích theo một bước sóng λ đã chọn, giả sử thu được các giá trị cường độ tương ứng với các nồng độ là A1, A2, A3, A4, A5 và AX1, AX2, AX3… sau đó dựng đường chuẩn theo hệ tọa độ Aλ - Cx.
Dựa vào đường chuẩn và các giá trị Ax ta sẽ dễ dàng tính được nồng độ Cx. Cụ thể là các giá trị Ax đặt lên trục tung Aλ của hệ tọa độ, từ đó kẻ đường song song với trục hoành Cx. Đường này sẽ cắt đường chuẩn tại điểm M, từ điểm M hạ đường vuông góc với trục hoành cắt trục hoành tại Cx. Cx là nồng độ cần tìm.
2.3. LẤY MẪU, BẢO QUẢN, XỬ LÝ MẪU
Để xác định hàm lượng các kim loại nặng trong nước thải và nước sông hồ quanh Thị xã Phúc Yên, chúng tôi tiến hành lấy mẫu nước tại các địa điểm xác định, đánh dấu vị trí lấy mẫu rồi ghi rõ thứ tự sau đó bảo quản mẫu cẩn thận, xử lý mẫu theo quy trình rồi tiến hành đo nồng độ các kim loại bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (GF – AAS).
2.3.1. Lấy mẫu
Mẫu nước thải của một số nhà máy, chúng tôi lấy trực tiếp tại cống xả nước thải (cách nhà máy khoảng 4-5km) theo thời gian, vị trí khác nhau và lấy cách mặt nước từ 10-30cm.
Với mẫu nước sông hoặc ao hồ, chúng tôi chọn một số địa điểm có nhiều cống nước thải của các nhà máy hoặc cống nước thải sinh hoạt của người dân đổ ra sông hoặc ao hồ.
Tất cả các mẫu nước được lấy bằng chai nhựa polietilen, được ngâm và rửa sạch bằng nước cất một lần. Khi lấy mẫu các chai lại được tráng bằng chính mẫu nước cần lấy.
HNO3 65% sao cho pH của mẫu vào khoảng 1-2, để chuyển hết kim loại về dạng ion, tránh sự thủy phân hay kết tủa kim loại.
Mẫu sau khi lấy được đậy kín nắp bình vào bảo quản cẩn thận. Mẫu được đưa về phòng thí nghiệm và tiến hành xử lý để xác định hàm lượng các kim loại nặng.
2.3.2. Xử lý mẫu
Khi lấy mẫu nước tôi thấy mẫu nước thải có màu đen hoặc nâu, có mùi tanh khó chịu, các mẫu nước sông thường có màu vàng nhạt có nhiều vẩn đục.
Chúng tôi tiến hành xử lý mẫu sơ bộ bằng cách lọc qua giấy lọc để loại bỏ cặn bẩn, đưa mẫu về dạng dung dịch trong suốt.
Trước khi đo, các mẫu được lắc kĩ và tiến hành xác định hàm lượng các kim loại nặng bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử GF-AAS.
Một số mẫu khi đo có tín hiệu ngoài đường chuẩn thì tiến hành cô cạn mẫu hoặc pha loãng mẫu để đưa về vùng nồng độ xác định được.
2.4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Nội dung nghiên cứu theo các bước sau đây:
1. Tham khảo các điều kiện tối ưu, khoảng tuyến tính trong phép đo GF-AAS của các nguyên tố đồng, chì, cadimi, mangan và xây dựng đường chuẩn của phép đo đồng, chì, cadimi, mangan
2. Xác định giới hạn phát hiện, giới hạn định lượng của phép đo . 3. Đánh giá sai số và độ lặp lại của phép đo.
CHƯƠNG 3
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1 ĐIỀU KIỆN ĐO PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ GF-AAS VỚI ĐỒNG, CHÌ, CADDIMI, MANGAN
Trong phương pháp đo phổ hấp thụ nguyên tử để nghiên cứu đạt kết quả tốt thì việc chọn lựa những thông số đo phù hợp với phân tích định lượng của nguyên tố hóa học là việc làm rất quan trọng.
Bằng việc nghiên cứu, tham khảo tài liệu và kết quả khảo sát các điều kiện đo phổ hấp thụ nguyên tử GF –AAS đối với nguyên tố đồng, chì, cadimi và mangan của các luận văn thạc sĩ năm 2013, 2014 chúng tôi tóm tắt các điều kiện tối ưu trong phép đo phổ GF-AAS của các nguyên tố này trong bảng 3.1
Bảng 3.1 Các điều kiện đo phổ hấp thụ nguyên tử GF-AAS đối với nguyên tố đồng, chì, cadimi và Mangan
Nguyên tố Cu[13] Pb[13] Cd[13] Mn 1 Bước sóng (nm) 324,40 283,57 228,77 279,5 2 Cường độ dòng đèn catot rỗng HCL (mA) 6 (75% Imax) 7 (64% Imax) 7 (78% Imax) 7 (70% Imax) 3 Bề rộng khe đo (mm) 0,7 0,7 0,7 0,2 4 Môi trường khí (ml/ph) Ar Ar Ar Ar 5 Loại cuvet A A A A 6 Điều kiện nguyên tử hóa Nhiệt độ làm khô (oC) 160 120 150 120 Nhiệt độ sấy (oC) 260 250 250 230
Nhiệt độ tro hóa oC 850 600 500 750
Nhiệt độ nguyên tử hóa(oC)
2450 2500 2200 2200
Nhiệt độ rửa cuvet (oC)
2600 2600 2400 2300
7 Môi trường dung dịch mẫu HNO3 2% HNO3 2% HNO3 2% HNO3 2% 8 Chất biến tính Mg(NO3)2 Mg(NO3)2 Mg(NO3)2 Mg(NO3)2
9 Lượng mẫu (µl) 10 10 10 10
10 Khoảng nồng độ tuyến tính (ppb)
0,5 – 12 0,5 – 20 0,1 – 5 0,2 – 8
3.2. DỰNG ĐƯỜNG CHUẨN XÁC ĐỊNH NỒNG ĐỘ CỦA ĐỒNG, CHÌ, CADIMI, MANGAN TRONG PHÉP ĐO PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ GF-AAS
Chúng tôi pha một dãy các dung dịch với nồng độ khác nhau nằm trong khoảng nồng độ tuyến tính từ dung dịch chuẩn 1000 ppm và tiến hành đo phổ hấp thụ nguyên tử của dãy mẫu thu được các giá trị độ hấp thụ nguyên tử A.
Từ đó xây dựng được đường chuẩn xác định nồng độ của các nguyên tố phân tích.
Phương trình hồi quy đầy đủ của đường chuẩn có dạng như sau: y = (a ± εa) + (b ± εb).x = (a ±t(p,f ).sa) + (b ±t(p,f ).s ).xb
Ax= (a ±t(p,f ).sa) + (b ±t(p,f ).s ).Cb x
Trong đó:
- Ax, Cx: tương ứng là độ hấp thụ quang và nồng độ của nguyên tố X
- t(p,f ): thừa số student lý thuyết với độ tin cậy thống kê p là 95%, hệ số
tự do là f = n – 1; n là số lần xác định
Kiểm tra tính có nghĩa của hằng số a trong phương trình hồi quy dùng chuẩn Fisher. Để kiểm tra tính có nghĩa của hằng số a cần so sánh hằng số a của phương trình hồi quy với giá trị 0, vì nếu a khác 0 do nguyên nhân ngẫu nhiên thì phương pháp phân tích mắc sai số hệ thống.
So sánh Ftính với Fbáng(P, f1, f2). Với Fbáng(P, f1, f2) ứng với độ tin cậy P = 95% và bậc tự do: f1 = N−2; f2 = N−1
- Nếu Ftính < Fbáng(P, f1, f2) thì sự sai khác giữa a và 0 (a≠0) là đáng tin cậy (hay a ≠ 0 là ngẫu nhiên).
- Nếu Ftính > Fbáng(P, f1, f2) thì sự sai khác giữa a và 0 (a≠0) là không đáng tin cậy (hay a ≠ 0 là không ngẫu nhiên).
Cụ thể:
N 2 i i 2 i 1 1 (A a b.C ) S N 2 = − − = − ∑
- Nếu xem hệ số a = 0 phương trình trở thành: Ax = b’.Cx thì phương sai
N 2 i i 2 i 1 2 (A b '.C ) S N 1 = − = − ∑
Trong đó : Ai là độ hấp thụ quang của nguyên tố đo lần thứ i Ci là nồng độ của nguyên tố đo lần thứ i
N là số mức nghiên cứu Ta có Ftính >1 nên: Ftính = (nếu 2 2 1 2 S >S ) ; Ftính = 22 2 1 S S (nếu 2 2 2 1 S >S )
3.2.1. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ của đồng
Các giá trị nồng độ và mật độ quang khi tiến hành dựng đường chuẩn thể hiện ở bảng 3.2. Đường chuẩn của đồng trong khoảng nồng độ 0,5-12ppb được thể hiện trong hình 3.1.
Bảng 3.2. Các giá trị C và A để xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ của đồng bằng phương pháp phổ GF-AAS
C (ppb) 2 4 6 10 12
2 4 6 8 10 12 0,016 0,018 0,020 0,022 0,024 0,026 0,028 0,030 0,032 0,034 0,036 Y = A + B * X
Parameter Value Error
--- A 0,01494 7,87184E-4 B 0,0016 1,01625E-4 ---