Xác định amoni bằng phương pháp trắc quang
Nguyên tắc để xác định hàm lượng Ammonia thường bằng phương pháp Nessler (thuốc thử vô cơ). Nhưng đây là phương pháp rất mất thời gian và tốn kém dụng cụ ( cần khoảng 6-12 bộ chưng cất Kjeldahl ). Do đó, thay vì phải chưng cất từ mẫu như phương pháp Nessler nói trên, người ta đã sử dụng một phương pháp khác là indophenol hoặc còn gọi là phương pháp phenate (thuốc thử hữu cơ), dựa trên phản ứng tạo màu xanh dương đậm khi cho ammonia tác dụng với phenol và alkaline hypochlorite. 2phenol + NH3 + 3ClO– → indophenol + 2H2O + OH– + Cl– (xanh đậm) Trong phương pháp indophenol này, ta xác định được hàm lượng tổng cộng của cả ammonia và amonium vì trong môi trường kiềm mạnh, toàn bộ ammonium sẽ chuyển thành ammonia. Từ đó giúp ta xác định hàm lượng ammonia tổng. Sau khi tiến hành các bước thực hiện xác định hàm lượng ammonia bằng phương pháp indophenol, ta tiến hành đo độ hấp phụ của các mẫu nước cần phân tích và mẫu chuẩn. Tiếp đó tính hàm lượng NH3-N tổng . Nếu hàm lượng ammonia tổng trong mẫu vượt quá 2mg/l, mẫu nước sẽ có màu rất đậm rất khó để có thể xác định độ hấp phụ bằng máy đo quang phổ. Khi đó ta pha loãng mẫu với nước cất không chứa ammonia và đo độ hấp phụ của mẫu đã pha loãng. Tính toán lại hàm lượng ammonia tổng và nhân thêm với hệ số pha loãng. Ngoài 2 phương pháp trên còn gọi là phương pháp trắc quang hoặc so màu, còn các phương pháp khác cũng có thể sử dụng để xác định hàm lượng ammonia như : – Phương pháp thể tích (chuẩn độ axit – bazo) : Tách amoni bằng cách chưng cất dung dịch chứa nó trong môi trường kiềm, sau đó chuẩn độ bằng axit. – Phương pháp điện cực chọn lọc : Xác định điện thế sử dụng các điện cực nhạy ion. Hiện công ty vật tư KHKT Thịnh Phát có cung cấp sản phẩm kit kiểm tra nhanh hàm lượng Ammonium của AQUASOL dựa trên sự so sánh màu sắc và kết quả thu được dễ dàng nhận thấy. Sản phẩm của AQUASOL chúng tôi có độ chính xác cao và nhiều thang đo để lựa chọn.
Giá của sản phẩm chưa bao gồm VAT Kha Linh <0,1>* Phương pháp phenat Phương pháp phenat dựa trên phản ứng tạo phức màu xanh đậm indophenol – giữa amoni, phenol và hypoclorit nhờ sự xúc tác của muối Mn(II). Phương pháp có thể xác định tới 0,01 đến 0,50 mg NH4+-N/l. Dùng thuốc thử phenat, người ta có thể xác định được cả nitơ trong các loại nước tự nhiên (nước nguồn) và cả nitơ trong nước cống bằng phương pháp trắc quang. Khoảng nồng độ của nó tuyến tính đến 0,6 mg NH3-N/l.Các yếu tố ảnh hưởng có thể loại bằng cách chưng cất vào chất hấp thụ là H2SO4. Ngoài ra, còn có phương pháp phenat tự động được ứng dụng trên khoảng nồng độ từ 0,02-2,0 NH3-N/l. Độ kiềm quá 200 mg/l (tính theo CaCO3) và độ axit lớn hơn 100 mg/l (tính theo CaCO3), cũng như độ đục sẽ ảnh hưởng đến phép xác định. Việc loại trừ ảnh hưởng này có thể thực hiện bằng cách chưng cất trước. Ngoài ba phương pháp chủ yếu trên, các phương pháp phân tích dòng chảy (FIA), sắc ký ion (IC), phương pháp enzym, phân tích dòng liên tục (sequential injection analysis-SIA) và sắc ký khí – khối phổ (GC/MS) cũng được sử dụng để xác định amoni trong nước. 1.3. Các công trình nghiên cứu xác định nhanh amoni Như trên (mục 1.2) đã trình bày “việc xác định hàm lượng amoni đã trở thành một nhiệm vụ khá quan trọng trong phân tích môi trường, đặc biệt là phân tích nước”, tuy nhiên việc phân tích amoni trong các đối tượng môi trường thường mất nhiều thời gian, thiết bị phải chuyên dụng và quy trình phức tạp do phải xử lý làm giàu, loại các ảnh hưởng, ... Thêm nữa, độ chính xác của phương pháp xác định nitơ-amoni phụ thuộc rất nhiều vào cách lấy mẫu và xử lý bảo quản mẫu; mẫu chưa được phân tích ngay thường tạo ra sai số do sự chuyển hóa sang các dạng chứa nitơ khác. Vì thế đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu, tìm cách có thể xác định ngay và nhanh nồng độ amoni, đặc biệt là amoni trong môi trường nước và không khí. Các nghiên cứu này đa phần sử dụng phương pháp quang, hoặc trên cơ sở phương pháp quang chế tạo các sensơ nhạy amoni, chiết điểm sương phức màu indophenol, ... Dưới đây là một số công trình tiêu biểu. Năm 1992 W. Sellien và cộng sự đã nghiên cứu chế tạo một sensơ quang hóa để quan trắc ion amoni trong các dung dịch nước. Các tính chất của sensơ dựa trên một chỉ thị pH không thay đổi. Giới hạn phát hiện của sensơ phụ thuộc vào giá trị pKa của chỉ thị pH đã sử dụng và vào pH cũng như nhiệt độ của mẫu. Với p-xylenol xanh (pKa = 2,0), giới hạn phát hiện là 1.10-6 M/L NH4+ (pH = 6,8; to = 22oC). Thời gian đáp ứng phụ thuộc vào nồng độ ion amoni và dao động từ 1 đến 60 phút. Độ bền của sensơ > 6 tháng. Sensơ được tối ưu hóa để phân tích nước thải mà không cần tiền xử lý mẫu. Nồng độ amoni đo được phù hợp với các kết quả phân tích bằng những phương pháp truyền thống khác [33]. Martina Trinkel và các đồng nghiệp (1996) đã nghiên cứu chế tạo sensơ quang cho xác định amoniac trên cơ sở cặp ion (thuốc nhuộm nhạy pH (bromophenol xanh) được cố định như một cặp ion liên hợp với cetyltrimethylammonium trong nền silicon) [25]. Màu của thuốc nhuộm thay đổi từ vàng đến xanh theo sự tăng nồng độ amoni trong mẫu. Nồng độ amoni được đo theo độ truyền qua ở một bước sóng xác định. Tất cả các phép đo được thực hiện với một chùm sáng kép, máy đo quang trạng thái rắn. Khoảng đo dao động từ 6.10-7 đến 1.10-3 M (0,01 ÷ 17 µg/L) trong đệm phosphat natri 0,1M, pH 8. Thời gian đáp ứng 90% và 100% ở tốc độ dòng 2,5 ml/ph là 4 phút và 10 phút, cho một sự thay đổi từ 41,9 ÷ 82,5 µM amoni; hoặc 12 và 48 phút cho sự thay đổi từ 160 ÷ 0 µM amoni. Độ ổn định của phép đo bị hạn chế bởi tín hiệu nền và độ nhạy amoni. Sensơ sử dụng tốt trong khoảng thời gian một vài ngày. Độ bền lưu kho là > 10 tháng (khô). Không bị ảnh hưởng của pH trong khoảng từ 5 đến 9. Hiệu quả sử dụng của sensơ bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi các amin và các chất tảy rửa cation. Sensơ có thể được làm sạch lại bằng H2O2 3% hoặc sấy khô (90oC). King Tong Lau và cộng sự (2004) đã chế tạo được sensơ amoni rắn trên cơ sở sử dụng phương pháp tạo màu indophenol, cho phép tốc độ hình thành màu nhanh hơn so với sensơ loại này đã biết trước đây. Nhiệt độ trong quá trình xác định màu ở khoảng 20oC; độ tuyến tính của phép đo nằm trong khoảng nồng độ từ 1÷ 10 ppm. Ý tưởng về một hệ thống bán tự động bao gồm một camera kỹ thuật số đen trắng được chiếu sáng bằng đèn LED màu đỏ, xanh lá cây và xanh da trời để đo độ đáp ứng của sensor [21]. Năm 2005, Joon-Shik Park và cộng sự [28] cũng đã đưa ra ý tưởng và chế tạo thành công những vi hệ thống phân tích tích hợp amoni (IMAAS) có bình phản ứng nhỏ và detector quang đẳng diện kèm bộ vi chia dòng. Sử dụng quy trình MEMS để chế tạo IMAAS có kích thước 5 cm x 5 cm và dày 1 mm. IMAAS được nối với đầu vào và đầu ra, sợi quang học nối với nguồn sáng đẳng diện và detector quang UV liên kết epoxy. Tốc độ phản ứng chuyển hóa amoni để hình thành indophenol trong IMAAS được tăng lên nhờ nhiệt độ. Trong trường hợp phản ứng ở 318oK, thời gian phản ứng < 1 phút, phù hợp tốt cho việc phân tích amoni hiện trường. Trong tương lai, nhóm tác giả mong muốn sẽ chế tạo những hệ thống nhỏ kiểu này để phân tích linh hoạt các chất khác cũng như để xác định tổng cộng cả nitơ hữu cơ và nitơ amoni. Chúng ta cũng biết rõ là việc đánh giá nồng độ các ion nitrat và amoni trong nước ngầm bị nhiễm bẩn bởi các nguồn nước thải là cực kỳ quan trọng. Những xác định này thường được thực hiện trong phòng thí nghiệm sử dụng thiết bị hiện đại và tinh sảo trong khoảng thời gian từ 2 giờ đến 3 ngày. Tuy nhiên, nhiều khi chúng ta cần có kết quả nhanh và tại chỗ. Bởi thế việc xác định được nhanh cả nitrat và amoni là rất cần thiết nhờ sử dụng một test kit hiện trường amoni (LaMotte, Chestertown, MD). Test được chế tạo sử dụng khả năng khử của TiCl3 mà có thể chuyển ion nitrat (đến 15 ppm) sang amoni (Braunstein, et al, 1980). Nitrat đã khử bằng TiCl3 không cần dùng bột Cd độc nữa. Bởi thế phương pháp có khả năng xác định ion nitrat và ion amoni lần lượt sử dụng test kit hiện trường amoni. Nồng độ test kit hiện trường cho kết quả tốt tương đương phòng thí nghiệm (R2 = 0,85 và 0,89) và độ phân tán (độ lệch chuẩn) giữa 2 phương pháp là nhỏ, chứng tỏ test kit là phương pháp hiện trường chấp nhận được [16]. Với thuốc thử Nessler, đã được sử dụng từ rất lâu để xác định N-amoni trong các loại nước khác nhau [21, 33], thì trong quy trình phân tích nước uống chỉ cần nước cất không amoni là đủ nhạy, nhanh và đơn giản. Tuy nhiên, người ta vẫn tìm thấy những ảnh hưởng khác nhau của nền mẫu đến kết quả phân tích. Những ảnh hưởng này, trước tiên phải nói đến sự xuất hiện các hợp chất cloramin vô cơ và clo dư của nước uống sau khử trùng clo. Mặc dù đã có khuyến cáo phải khử hết cloramin và clo dư ra khỏi mẫu trước khi cho thuốc thử Nessler bằng một lượng thisulphat tương đương (được tính toán nhờ việc sử dụng dữ liệu xác định clo có sẵn trong một mẫu nước riêng – theo GOST 4129). Nhưng những kiểm tra sơ bộ đã cho thấy việc khuyến cáo này là sai lầm. Theo nghiên cứu của L. N. Demutskaya and I. E. Kalinichenko (công bố tháng 4. 2010), phân tích nước uống đã khử trùng bằng clo theo phương pháp Nessler cũng phải được cải tiến [24]. Hay như phương pháp Nessler chuẩn khuyến cáo đo quang ở hai bước sóng khác nhau phụ thuộc vào nồng độ amoni trong mẫu (< 5 mg/L đo ở khoảng 420 nm và > 5 mg/L đo ở 500 nm) [15] và đo độ hấp thụ quang (trước và sau khi phá hủy phức màu bằng axit thioglycolic) có thể xác định được N-amoni trong các mẫu nước tự nhiên có nồng độ axit humic cao mà không cần xử lý đặc biệt mẫu [24]. Lý do của những khuyến cáo này là việc cho rằng sự hình thành các sản phẩm màu khác nhau của tetraiodo thủy ngân với ion amoni trong môi trường kiềm [15]. Nhưng thực ra, màu quan sát được trong trường hợp này là do phức polime tan của Hg [24] chứ không phải là màu của những hạt keo mịn như những công bố trước đây [21, 33]. Các sản phẩm chính của sự tương tác này là các phức màu polime của thủy ngân (II) chứa N-nitrua, iodua và ion OH-, được hình thành trong quá trình tự xúc tác phức tạp [23]. Mặt khác, đã biết rằng việc xác định N-amoni bằng thuốc thử Nessler thường bị ảnh hưởng bởi các amin béo và thơm, các cloramin hữu cơ, các ancol, các andehyt, xeton và các hợp chất khác [15, 23] làm ảnh hưởng đến màu của phức giữa thuốc thử Nessler và ion amoni, đồng thời gây đục. Nên trong quá trình phân tích, các mẫu nước chứa hàm lượng các hợp chất trên cao thường phải được tách thu amoniac nhờ chưng cất Kjeldahl. Tương tự để loại bỏ các ảnh hưởng gây đục, khi phân tích amoni trong nước uống, tatrat được cho vào để tạo phức tan với Ca, Mg và Fe(III) trong môi trường kiềm. Chính vì vậy, những nghiên cứu nhằm tạo điều kiện xác định nhanh và ngay amoni trên hiện trường vẫn luôn được tìm kiếm và phát triển, cải tiến. Đến năm 1999, Minoru OKUMURA và các đồng nghiệp của ông đã nghiên cứu và công bố công trình sử dụng phương pháp trắc quang và so màu bằng mắt đơn giản để xác định nitơ-amoni trong nước. Phương pháp được đề xuất dựa trên sự phát triển màu xanh indothymol hình thành giữa NH4+ và thymol. Sự phát triển màu được tăng nhanh nhờ xúc tác nitroprusside và thay đổi quy trình tạo màu. Màu đã xuất hiện nhanh rõ rệt so với các phương pháp truyền thống dùng indothymol xanh và indophenol xanh. Khoảng nồng độ xác định bằng phương pháp trắc quang là 0,04-1,2 mg/l theo NH4 – N. Độ hấp thụ cho 1 µg NH4 – N là 0,0215 (độ hấp thụ phân tử mol = 1,51.104) ở 690 nm. Phương pháp so màu bằng mắt không sử dụng dụng cụ được coi là phương pháp phù hợp cho hiện trường đã được phát triển dựa trên các điều kiện tối ưu đối với phương pháp trắc quang đã xây dựng. Phương pháp đo bằng mắt này đã được áp dụng thành công để xác định nitơ-amoni trong các môi trường nước, mà không cần thiết bị cũng có thể phân tích được nhiều mẫu nước trong một thời gian ngắn trực tiếp ở vị trí lấy mẫu [26]. Sau đó các tác giả này [27] còn nghiên cứu một phương pháp làm giàu sơ bộ ngay tại chỗ đơn giản và nhanh chóng dùng cho việc xác định lượng NH4+ nhỏ trong các mẫu nước bằng phổ quang kế đã được phát triển dựa trên phương pháp chiết pha rắn sử dụng một ống nhỏ có bọc ngoài một lớp octadecyl và bôi thêm lớp gel axit silisic (Sep-Pak C18 cartridge). Mẫu nước được đổ vào từ từ để công việc được tiến hành một cách đơn giản, và ngăn chặn được sự ô nhiễm ngay lập tức sau khi đổ các mẫu nước vào. Amoni trong mẫu nước được phản ứng với hypoclorit và thymol để chuyển thành màu xanh indothymol; sau đó màu xanh này sẽ được thu lại như một cặp ion gồm ion màu xanh indothymol và ion tetrabutylammonium trong ống Sep-Pak C18. Màu xanh indothymol trên ống duy trì được trong 4 ngày. Màu xanh này dễ dàng được tách rửa bằng một hỗn hợp gồm methanol và dung dịch sodium hydroxide 0,01mol/L. Độ đậm của màu được đo bằng quang phổ kế ở bước sóng 725nm. Phương pháp đề xuất này đã được ứng dụng thành công đối với các mẫu nước ngoài môi trường như nước sông và đã sử dụng vào việc đo amoni trong các mẫu nước sông Hii và sông Asakumi. Sông Hii chảy qua các khu vực không có dân cư và đổ vào hồ Shinji, và sông Asakumi là một con sông nội thành, chảy qua thành phố Matsue đổ vào hồ Nakaumi. Keiichi Fukushi và cộng sự [19] đã sử dụng phương pháp điện di mao quản có đầu dò UV trực tiếp để xác định amoni trong các mẫu nước sông và biển. Theo cách này, các ion kim loại kiềm và kiềm thổ cùng có mặt trong mẫu không ảnh hưởng đến phép xác định. Giới hạn phát hiện (LOD) là 0,24 mg (N2)/L. Kết quả phù hợp với việc phân tích bằng sắc ký ion. Năm 2008, Abbas Afkhami và Rasoul Norooz-Asl [14] dã công bố một quy trình chiết điểm sương nhanh, chọn lọc và nhạy sử dụng hỗn hợp chất hoạt động bề mặt trung tính (Triton X-114) và cationic (cetyltrimethylammonium bromide – CTAB) để chiết indophenol đã thành thành trong phản ứng Berthelot với amoni từ dung dịch lỏng. Phản ứng dựa trên phản ứng màu của amoni và phenol dưới các điều kiện oxy hóa phù hợp trong môi trường kiềm và chiết điểm sương thuốc màu đã được sinh ra. Hiệu quả của phản ứng và các thông số chiết đã được nghiên cứu và các thông số tối ưu đã được xây dựng. Độ tuyến tính của phép xác định năm trong khoảng 2,00 ÷ 125,00 mg/L amoni. Giới hạn phát hiện của phương pháp là 1 mg/L. Ảnh hưởng của một số ion cũng được kiểm tra. Phương pháp được ứng dụng để xác định amoni trong các mẫu nước tự nhiên. Tóm lại, có rất nhiều nghiên cứu nhằm tìm kiếm xác định nhanh, tiện lợi, đơn giản và chính xác các kỹ thuật hiện đại trên cơ sở của sự tạo phức màu. Một số kỹ thuật phân tích được tổng kết trong bảng dưới đây. Chương 2. ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP, NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng nghiên cứu Hiện trạng các nguồn nước sinh hoạt trong địa bàn Hà Nội bị nhiễm amoni là một vấn đề đang được quan tâm. Để có cái nhìn đúng đắn và khoa học về vấn đề này chúng ta cần nắm rõ được hiện trạng nhiễm amoni thực tế đang diễn ra. Vì thế để có được kết quả nhanh và chính xác thì phương pháp xác định là điều rất quan trọng. Nghiên cứu phương pháp xác định nhanh ion amoni không chỉ giúp đánh giá chính xác sự nhiễm amoni mà còn giúp tiết kiệm được thời gian cũng như công sức của đội ngũ kỹ thuật viên cũng như các nhà nghiên cứu, cho kết quả chính xác trong thời gian sớm nhất phục vụ tốt cho quá trình khảo sát, điều tra về tình trạng nhiễm amoni. Vì thế đối tượng nghiên cứu trong luận văn này là tìm ra phương pháp xác định nhanh amoni trong nước sinh hoạt và ứng dụng để đánh giá sự nhiễm amoni trong một số nguồn nước cấp của Hà nội. 2.2. Phương pháp nghiên cứu 2.2.1. Phương pháp tổng quan tài liệu Các tài liệu, số liệu, bản đồ, các công trình nghiên cứu có liên quan đến khu vực nghiên cứu sẽ được thu thập. Tài liệu thu thập được sẽ được xử lý, phân loại và từ đó xác định những vấn đề cần thiết cho việc nghiên cứu và khảo sát của luận văn. Các phương pháp có thể sử dụng hoặc chuyển đổi để phân tích nhanh amoni được khảo cứu từ các tài liệu trong và ngoài nước. Các tài liệu, số liệu về nhiễm amoni trong các nguồn nước sinh hoạt của khu vực nghiên cứu, được thu thập từ Sở tài nguyên và môi trường, các báo cáo thường niên của địa phương và các nghiên cứu khoa học liên quan. Để đạt mục tiêu của luận văn, các phương pháp nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đã được tiến hành nhằm tìm chọn được phương pháp có thể xác định nhanh nồng độ amoni trong các mẫu nước cấp, nước ngầm và nước ăn uống. Trên cơ sở tổng quan tài liệu, xem xét các phương pháp xác định amoni, hai nhóm thuốc thử vô cơ và hữu cơ được lựa chọn để khảo sát trong luận văn. Nhóm thuốc thử vô cơ được chọn là phương pháp sử dụng thuốc thử Nessler (phương pháp Nessler). Nhóm thuốc thử hữu cơ được lựa chọn là phương pháp Berthelot với thuốc thử dẫn xuất của phenol là thymol. Cả hai phương pháp này đều có thể chuyển hóa thành các phương pháp phân tích nhanh tại hiện trường (bằng cách xây dựng thang màu chuẩn - tương đương như đường chuẩn trên máy) thay vì đo trên máy trắc quang tại phòng thí nghiệm. 2.2.3. Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa Sau khi xây dựng được quy trình phân tích nhanh amoni, việc khảo sát thực địa được tiến hành nhằm mục đích lập sơ đồ lấy mẫu và lấy mẫu nước để đánh giá hiện trạng nhiễm amoni trong một số nguồn nước cấp khu vực nội thành Hà nội bằng quy trình phân tích đã xây dựng. 2.3. Nội dung nghiên cứu 2.3.1. Hóa chất, dụng cụ thí nghiệm và thiết bị phân tích * Dụng cụ và thiết bị phân tích - Máy cất nước Aquatron A4000D, xuất xứ Cộng hoà Liên bang Đức. - Cân phân tích hiệu Citizen, model: CX220, xuất xứ Ba Lan. - Bình định mức các cỡ. - Pipet có các dung tích khác nhau. - Cốc thuỷ tinh, phễu, giấy lọc. - Chai polietylen 500 ml. - Tủ lạnh để bảo quản hoá chất và mẫu. - Máy đo pH: Mi 151 Martini instruments, xuất xứ Phần Lan. - Máy đo quang JASCO V-530, xuất xứ Nhật Bản. * Hoá chất, thuốc thử và cách pha chế - Nước cất không amoni Nước cất không amoni có thể chuẩn bị bằng cách: cho nước đã cất qua cột trao đổi ion chứa nhựa trao đổi ion hỗn hợp Amberlite MB-1. Hoặc có thể sử dụng thẳng nước cất 2 lần vừa mới sản xuất. Sau đó, nước đã loại amoni được dự trữ trong bình thủy tinh trung tính có nút đậy kín khí. Sử dụng nước cất không amoni cho tất cả các thí nghiệm tiếp theo. - Dung dịch amoni (N-NH4+) chuẩn + Dung dịch gốc chứa 0,1 g N-NH4/L: cân 0,3819 g NH4Cl tinh khiết hoá học (đã sấy khô ở 105oC trong 2h) cho vào bình định mức 100 ml và định mức bằng nước cất không amoni đến vạch mức. Dung dịch này có nồng độ N-NH4+ = 1g/L. + Các dung dịch chuẩn có nồng độ amoni thấp hơn được pha loãng từ dung dịch chuẩn gốc trước khi sử dụng bằng nước cất không amoni. - Dung dịch Segnet 30%: cân 50 g KNaC6H4O6 hoà tan sau đó định mức tới 100 ml bằng nước cất không amoni. - Thuốc thử Nessler + Nessler A: hòa tan một lượng cân chính xác 7,0 g KI và 10,0 g HgI2 trong khoảng 50 ml nước cất không amoni, rồi định mức thành 100 ml. + Nessler B: cân chính xác 16g NaOH sau đó hoà tan và định mức thành 50 ml bằng nước cất không amoni. Thuốc thử Nessler gồm 100ml Nessler A với 50ml Nessler B; trộn hai thể tích với nhau, lắc đều, để lắng một ngày trong chỗ tối, sau đó lọc lấy phần nước trong bằng giấy lọc hoặc gạn lấy dung dịch khỏi phần cặn lắng. Bảo quản dung dịch trong lọ thủy tinh màu nâu có nút nhám và nên để trong bóng tối. - Dung dịch Thymol 3%: cân chính xác 3,000 g thymol (5-metyl-2-isopropylphenol), hoà tan trong 100 ml dung dịch NaOH 2M. - Dung dịch đệm: cân 0,794 g Na2CO3 và 0,504 g NaHCO3 cho vào bình định mức 100 ml và định mức đến vạch bằng nước cất không amoni. - Dung dịch chuẩn hypoclorit 1%: sử dụng 1 ml dung dịch hypoclorit (5% clo hoạt động , Pakshoo), pha loãng với 4 ml nước cất không amoni để được dung dịch chuẩn gốc. Dung dịch này có thể sử dụng trong 5 ngày. Từ dung dịch chuẩn gốc, pha các dung dịch có nồng độ mong muốn ngay trước lúc sử dụng. - Dung dịch citrat kiềm: hòa tan 200 g Na3C6H5O7.2H2O và 10 g NaOH trong nước không có amoni, lắc đều cho tan, sau đó định mức thành 1000 ml. - Dung dịch oxi hóa: trộn lẫn 100 ml dung dịch citrat kiềm với 25 ml dung dịch hypoclorit. - Dung dịch natri nitropruxit 2%: cân 2 g natri nitroprusside dihydrat (Na4[Fe(CN)5NO].2H2O), hòa tan trong bình định mức 100 ml bằng nước cất không amoni. Bảo quản trong chai tối màu. Sau đó, pha các dung dịch làm việc có nồng độ mong muốn từ dung dịch này trước khi sử dụng. Một số các hóa chất khác dùng cho nghiên cứu đều phải có độ tinh khiết PA hoặc tinh khiết hóa học của Việt nam, Trung quốc, Merck, Pakshoo. Các thuốc thử đều của hãng Merck. 2.3.2. Nghiên cứu xác định nhanh amoni trong nước sử dụng phương pháp Nessler Đây là phương pháp đại diện và tiêu biểu nhất của thuốc thử vô cơ cho xác định amoni và có lẽ cũng là phương pháp đo màu sớm nhất được Julius Nessler (Nhà Hóa học người Đức, 1827-1905) đề nghị sử dụng lần đầu tiên vào năm 1856. Nguyên tắc của phương pháp là dung dịch muối amoni loãng sẽ phản ứng với thuốc thử Nessler (K2HgI4) trong môi trường kiềm để sản sinh ra một chất keo màu vàng đến nâu sẫm/đỏ; để lâu hoặc nồng độ amoni lớn sẽ tạo kết tủa bông. Màu tạo ra giữa thuốc thử Nessler và ion amoni có cực đại hấp thụ quang trong khoảng bước sóng từ 420 đến 500 nm tùy thuộc vào nồng độ amoni trong mẫu [APHA 18th ed.]. Cũng phải nói rằng, phương pháp so màu với thuốc thử Nessler vốn là một phương pháp tiêu chuẩn và được coi là phương pháp đo chất lượng nước kinh điển hơn một thế kỷ qua [APHA 19th & 20th ed.]. Mặc dù việc sử dụng thủy ngân là độc và ngày nay đã không coi nó là phương pháp tiêu chuẩn nữa, nhưng nó vẫn được sử dụng để xác định amoni trong thực tế và cả để làm các test kit xác định nhanh amoni [24]. Các ion sắt, canxi, magie,... trong nước gây cản trở phản ứng nên cần phải loại bỏ bằng cách chưng cất hoặc che bằng dung dịch Segnet hay dung dịch EDTA. Nước đục xử lý bằng dung dịch ZnSO4 5%. Clo dư trong nước được loại trừ bằng dung dịch Natrithiosunfat 5%. Phương pháp Nessler có khả năng xác định được amoni trong khoảng 0,2 – 10,0 mg N-NH3/L. * Phương pháp tiêu chuẩn (theo APHA, tái bản lần thứ 18, 1992) Đường chuẩn cho xác định ion amoni được xây dựng như sau: chuẩn bị 1 loạt ống Nessler (hoặc bình định mức) 50 ml thêm lần lượt 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0; 7,0; 8,0; 9,0 và 10,0 ml dung dịch NH4Cl tiêu chuẩn (nồng độ 50 mg NH3/L). Thêm 1 ml dung dịch Segnet, lắc đều; thêm tiếp 2 ml dung dịch thuốc thử Nessler vào mỗi ống và điền nước đến 50 ml, lắc đều. Để yên 10 phút rồi so màu trên máy trắc quang ở bước sóng 420 nm. Tiến hành xác định amoni trong các mẫu thực tế như sau: cho vào bình nón (dung tích 250 ml) 100 ml dung dịch mẫu nghiên cứu, thêm 1 ml ZnSO4 10%, lắc đều. Điều chỉnh pH đến 10,5 bằng dung dịch NaOH 6N. Để lắng vài phút rồi lọc lấy phần dung dịch. Tiếp đó lấy vào bình định mức 50 ml một lượng dung dịch đã lọc có hàm lượng NH4+ trong khoảng từ 0,02 - 5,00 mg NH3 - N/L (nếu hàm lượng cao hơn thì có thể pha loãng để có dung dịch nồng độ phù hợp). Loại bỏ các ion cản trở bằng cách thêm 1 ml dung dịch EDTA vào và khuấy đều dung dịch hay dùng 1 ml dung dịch Segnet để che các ion ảnh hưởng đến phép phân tích và thuốc thử Nessler. Thêm 2 ml dung dịch thuốc thử Nessler vào mẫu, lắc đều. Để yên 10 phút rồi so màu ở bước sóng 400-425 nm (nếu dùng cuvet có bề dày 1cm thì có thể phân tích được amoni theo nitơ đến 0,4-5,0 mg/L). Nếu nồng độ nitơ amoni đến 10 mg/L có thể xác định bằng phương pháp này đo ở bước sóng 525 nm. Do màu của dung dịch dịch chuyển từ vàng sang nâu đỏ; cho nên phương pháp Nessler được khuyến cáo sử dụng hai vùng bước sóng để đo độ hấp thụ quang để nâng cao độ chính xác (400 - 425 nm cho khoảng nồng độ 0,2 - 5 mg/L và 450 - 500 nm cho khoảng nồng độ 5 - 10 mg/L) [15]. * Xây dựng phương pháp xác định nhanh theo Nessler Để thích ứng với việc đo nhanh tại hiện trường, với các mẫu phân tích là nước cấp, chúng tôi đã tiến hành lập đường chuẩn và phân tích theo quy trình thu nhỏ như sau: chuẩn bị dãy các ống nghiệm dung tích 20 ml, đánh số thứ tự các ống nghiệm từ 1÷11. Cho vào từng ống nghiệm các dung dịch thuốc thử theo thứ tự như sau:
Cách tính kết quả Đối với mẫu phân tích, lượng mẫu được lấy để đo là 10 ml như đối với mẫu chuẩn và các bước tiến hành được làm tương tự như đối với mẫu chuẩn. Kết quả được xác định như sau: Sau khi đo độ hấp thụ quang trên máy so màu ta được giá trị Abs. Sử dụng phần mềm chuyên dụng để rút ra phương trình đường chuẩn biểu diễn sự phụ thuộc độ hấp thụ quang vào nồng độ amoni trong mẫu. Phương trình đường chuẩn có dạng: y = ax + b → x = ( y – b)/a Các yếu tố ảnh hưởng là pH, nồng độ thuốc thử, các ion ảnh hưởng đến phản ứng và màu của dung dịch được khảo sát theo phương pháp thay đổi một thành phần với nồng độ amoni là 5 mg/L. 2.3.3. Xác định nhanh amoni trong nước sử dụng phương pháp Phenat * Cơ sở lý thuyết và cơ chế phản ứng màu indophenol Phương pháp Phenat là phương pháp dựa vào phản ứng tạo phức màu xanh đậm – indophenol giữa amoni và phenol với hypoclorit ở pH cao. Nhờ độ nhạy, độ chọn lọc cao và ít bị ảnh hưởng bởi các các ion khác, mà phương pháp phenat trong thực tế đã trở thành cơ sở vững chắc cho một quy trình phát hiện và phân tích ion amoni. Các lĩnh vực ứng dụng để phân tích amoni rất đa dạng gồm: xác định amoni trong nước, trong thực phẩm, dịch chiết từ đất, các vật liệu sinh học...[24]. Quá trình hình thành màu xanh của hợp chất indophenol đã được Berthelot mô tả từ đầu năm 1859 [23]. Sau đó, nhiều quy trình xác định amoni trên cơ sở phản ứng Berthelot ra đời và được ứng dụng vào thực tế. Hầu hết các bước tiến hành trong những quy trình khác nhau này đều gồm: việc đầu tiên là thêm một lượng chính xác dung dịch thuốc thử (phenol hoặc dẫn xuất của phenol) vào mẫu chứa amoni, tiếp theo thêm xúc tác (mangan sulfat hoặc natri nitroprusside) và sau đó là dung dịch chất oxy hóa. Nhiệt độ trong quá trình thực hiện các phản ứng tạo màu ở khoảng từ 27 – 37oC; thời gian để màu hình thành và ổn định thường khoảng từ 20 đến 120 phút (tùy quy trình). Màu được hình thành có độ hấp thụ quang cực đại ở bước sóng từ 630 đến 690 nm (tùy thuộc vào dùng phenol hoặc một dẫn xuất nào đó của phenol và điều kiện phản ứng) [17, 20, 21, 22]. Sự có mặt của natri nitroprusside có tác dụng xúc tiến cho phản ứng nhanh hơn, đồng thời nó còn tham gia phản ứng với p-aminophenol tạo sản phẩm có màu tương tự hợp chất indophenol. Phản ứng xảy ra theo hai hướng như vậy đã làm tăng cường độ màu và độ nhạy của phương pháp. Một điều lý thú khi nghiên cứu về sự hình thành màu xanh indo- là việc phát hiện ra khả năng làm tăng độ nhạy và tốc độ hình thành hợp chất màu của các thuốc thử chứa gốc phenol. Theo nhiều nghiên cứu [20], phân tử thuốc thử cần có một chỗ trống ở vị trí para, nhóm hydroxy ở vị trí 2- hoặc 3- so với nhóm ankyl và nhóm ankyl chứa từ 1-6 nguyên tử cacbon. Trên cơ sở đó, một loạt dẫn xuất phenol được thử nghiệm chi tiết và được kiểm tra bằng kỹ thuật ưu tiên để xác định tính phù hợp của chúng trong việc phát hiện, định lượng ion amoni. Chẳng hạn như 2-metylphenol; 2,6-dimetylphenol; 2-clophenol; 2,6- dicl ophenol; guaiacol; o-phenylphenol; m-cresol; 1-naphtol và đặc biệt là 2-metyl-5-hydroxyquinolin cũng được phát hiện là có thể sử dụng được trong thực tế (Analyst 109, 549 (1984)). Các thuốc thử thường được sử dụng nhiều nhất là phenol, axit salicylic và thymol [24]. Tùy thuộc vào nguồn hypochlorit và các hợp phần của phenol, một loạt các yêu cầu về điều kiện tối ưu cho các phản ứng đặc trưng phải được nghiên cứu như pH, thời gian, trình tự thêm tác nhân, ... * Nghiên cứu xác định nhanh ion amoni bằng thuốc thử thymol Theo phương pháp Phenat chuẩn, đường chuẩn và quy trình phân tích được tiến hành như sau: cho vào 25 ml mẫu (mẫu chuẩn hoặc mẫu phân tích) lần lượt 1 ml dung dịch phenol, 1 ml dung dịch nitroprusit và 2,5 ml dung dịch oxi hóa. Lắc đều sau mỗi lần cho thuốc thử vào mẫu. Đậy nắp bình lại và quấn ủ bình bằng giấy plastic hoặc parafin. Để bình trong buồng có nhiệt độ từ 22-270 C với ánh sáng dịu và so màu ít nhất sau 60 phút ở bước sóng 640 nm. Đường chuẩn được tiến hành tương tự. Khoảng tuyến tính để phân tích amoni cả trong nước ngọt và nước biển đến 0,6 mg N-NH3/L [APHA 19&20th, Lucia Solórzano]. Các ion kim loại kiềm thổ và một số các ion kim loại hóa trị ba gây ảnh hưởng mạnh đến phản ứng này. Vì vậy, đa phần các mẫu nước tự nhiên có độ nhiễm bẩn mạnh và nước biển đều phải chưng cất thu amoniac và hấp thụ vào dung dịch axit sulfuric hoặc phải che các ảnh hưởng, rồi mới thực hiện được phân tích trắc quang. Theo quy trình này, thời gian hình thành màu rất lâu và quy trình phân tích rất phức tạp nếu có các yếu tố ảnh hưởng. Với mục đích tìm chọn một quy trình xác định nhanh amoni trong các nguồn nước sinh hoạt, trong luận văn này, chúng tôi chọn thuốc thử Thymol – một dẫn xuất của phenol và hội tụ các điều kiện để đẩy nhanh tốc độ phản ứng nhằm có thể xác định nhanh amoni trong nước. Hình 3. Công thức cấu tạo của Thymol Nguyên tắc của phương pháp như đã trình bày ở phần trên. Màu xanh của hợp chất indothymol hình thành thông qua 2 bước để tạo ra các sản phẩm trung gian và sản phẩm mang màu. Tốc độ của phản ứng tổng thể phụ thuộc vào tốc độ phản ứng của mỗi bước. Việc nghiên cứu để tăng tốc độ phản ứng nhằm rút ngắn thời gian phân tích sẽ được nghiên cứu và khảo sát. Bên cạnh đó với sự tham gia của các thành phần phản ứng phức tạp, mỗi thành phần cũng sẽ được khảo sát. pH cũng là một yếu tố quyết định tính chọn lọc, độ chính xác của phương pháp do đó việc khảo sát pH của dung dịch, các thành phần đệm đóng một vai trò hết sức quan trọng trong nghiên cứu này. Việc xác định amoni bằng phương pháp Phenat còn chịu ảnh hưởng của một số ion cản trở. Do đó nghiên cứu để loại bỏ các yếu tố này là một đòi hỏi mang tính thực tiễn cần khảo sát. Đồng thời, khi tìm hiểu tài liệu chúng tôi nhận thấy, đã có nhiều công trình nghiên cứu nhằm làm sáng tỏ cơ chế của phản ứng [14, 16, 17, 19, 20]. Các nghiên cứu đều cho thấy, thực chất của quá trình hình thành màu xanh indophenol trải qua hai giai đoạn: - Giai đoạn thứ nhất: trong môi trường kiềm (ở pH khoảng 10), dung dịch chứa amoni tương tác với hypoclorit tạo thành monochloramin theo phương trình: NH4+ + OCl- → NH2Cl + H2O (1) - Giai đoạn thứ hai: monochloramin phản ứng với phenol để hình thành n-aminophenol ở pH khoảng 12 ÷ 13, với sự có mặt của chất xúc tác: [Fe(CN)5NO]2- C6H5O- + NH2Cl + OH- -----------> OC6H4NCl + H2O (2) Sản phẩm của phản ứng (2) tiếp tục kết hợp với phân tử phenol thứ 2, tạo thành 4,4’-dihydroxyldiphenylamin và sau đó là phản ứng tạo thành hợp chất màu indophenol như sau: OC6H4NH + C6H5O- ------------------> OC6H4=N-C6H4O- (3) OC6H4=N-C6H4O- <----------------> OC6H4-N-C6H4OH + Cl- (4) Màu xanh indophenol Đối với thuốc thử là thymol, ở giai đoạn 2 monochloramin sẽ phản ứng với thymol để hình thành màu xanh của một cặp ion gồm ion màu xanh indothymol và ion tetrabutylamoni theo các phản ứng: [Fe(CN)5NO]2- CH3C6H3CH(CH3)2OH + NH2Cl + OH- ----> O=C6H2CH(CH3)2=N-Cl + H2O O=C6H2CH(CH3)2=N-Cl + CH3C6H3CH(CH3)2OH <----------------> O=C6H3CH(CH3)2=N-CH3C6H3CH(CH3)2OH (Xanh) Chính vì vậy mà nếu cho phản ứng tạo monocloramin xảy ra trước ở pH 10 sau đó cho tiếp phản ứng tạo màu indophenol ở pH 12 - 13 thì tốc độ của phản ứng tạo màu hoàn toàn sẽ rất nhanh. Do đó quy trình phân tích nhanh amoni tổng quát sẽ được thực hiện như sau: Lấy 20 ml mẫu chuẩn hay mẫu phân tích cho vào bình định mức dung tích 25 ml. Thêm dung dịch natri nitropruxit, thêm tiếp dung dịch đệm (sử dụng đệm để dung dịch có pH xung quanh 10), sau đó thêm chất oxy hóa và lắc đều sau mỗi lần thêm rồi để yên 1 phút. Tiếp theo, thêm dung dịch thymol, lắc đều, để yên 3 phút và đo độ hấp thụ quang ở bước sóng 693 nm. Cách xây dựng đường chuẩn Chuẩn bị dãy các bình định mức dung tích 25 ml và đánh số thứ tự các bình từ 1÷ 9, cho vào từng bình các dung dịch thuốc thử (lắc đều bình sau mỗi lần cho), thứ tự như sau:
Cách tính kết quả Các mẫu phân tích được tiến hành với thể tích mẫu là 10 ml (như đối với mẫu chuẩn). Trình tự các bước phân tích được tiến hành như đối với mẫu chuẩn. Kết quả được tính theo hai cách là đo trên máy và so sánh trên thang màu chuẩn để so sánh và đánh giá. - Kết quả đo trên máy được làm như sau: Sau khi đo độ hấp thụ quang trên máy đo màu ta được giá trị Abs. Sử dụng phần mềm chuyên dụng để rút ra phương trình đường chuẩn biểu diễn sự phụ thuộc độ hấp thụ quang vào nồng độ amoni trong mẫu. Phương trình đường chuẩn có dạng: y = ax + b → x = ( y – b)/a Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Nghiên cứu lựa chọn điều kiện phân tích nhanh amoni theo phương pháp Nessler Chia sẻ với bạn bè của bạn:
Page 2
Bảng 2. Quy trình tiến hành trong dải nồng độ 0 – 5 mgN/l
Ta thu được đồ thị đường chuẩn như sau: Hình 4: Đồ thị đường chuẩn trong dải nồng độ 0 – 5mgN/l với 2 bước sóng
Bảng 3: Quy trình tiến hành trong dải nồng độ 6 – 10 mgN/l
Ta thu được đồ thị đường chuẩn như sau: Hình 5: Đồ thị đường chuẩn trong dải nồng độ 6 – 10mgN/l với 2 bước sóng Kết luận về độ chính xác của phương pháp Nessler chuẩn: Quan sát hai đồ thị khi tiến hành ở hai khoảng nồng độ khác nhau ta thấy rằng: Ở cùng một giá trị nồng độ nhưng khi đo độ hấp thụ quang ở 2 bước sóng 420 nm và 450 nm ta thu được 2 đường chuẩn có sự chênh lệch khá nhiều về hệ số góc. Màu của dung dịch dịch chuyển từ vàng sang nâu đỏ; cho nên được khuyến cáo sử dụng hai vùng bước sóng để đo độ hấp thụ quang để nâng cao độ chính xác (400 - 425 nm cho khoảng nồng độ 0,2 - 5 mg/L và 450 - 500 nm cho khoảng nồng độ 5 - 10 mg/L) (APHA, 18th ed., 1992). Điều này được giải thích do có các phản ứng hóa học sau:
Phức tan màu vàng - Nếu nồng độ amoni quá lớn phức tan màu vàng trên lại phản ứng tiếp với NH4+ tạo chất ít tan màu nâu sẫm. Chất ít tan màu nâu sẫm Do vậy nếu sử dụng phương pháp Nessler chuẩn để xác định hàm lượng amoni ta sẽ phải xây dựng 2 đường chuẩn cho hai khoảng nồng độ. Điều này sẽ gây nhiều khó khăn cho người phân tích. Trong khi đó phương pháp phân tích so màu bằng mắt sẽ nhanh, có thể so màu trực tiếp trên thang màu và lại khắc phục được những nhược điểm trên của phương pháp Nessler chuẩn. B ằng cách ghi (chụp) lại màu và tiến hành lặp lại thí nghiệm ít nhất 3 lần ta vẽ được thang màu để phân tích amoni theo phương pháp Nessler như trong hình 6. Theo bảng màu, ta thấy rất rõ sự dịch chuyển màu của dung dịch từ vàng chanh nhạt sang vàng rồi sang nâu tùy thuộc vào nồng độ amoni trong dung dịch. 3.1.2. Thời gian xuất hiện màu và độ bền màu Thời gian hiện màu của mẫu được khảo sát bằng cách sau khi cho tất cả thành phần của thuốc thử vào dung dịch mẫu, bắt đầu tính thời gian và cứ sau một phút lại đo (đọc) độ hấp thụ quang một lần. Kết quả được thể hiện trên bảng 4 và hình 7. Bảng 4. Thời gian xuất hiện màu của phức [NH2Hg2I2]
Hình 7. Thời gian hiện màu của dung dịch mẫu phân tích Từ kết quả trên có thể thấy chỉ cần sau 8 phút, màu của dung dịch đã đạt tới gần như cực đại. Và để chắc chắn, dung dịch mẫu được để sau 10 phút để quá trình hình thành màu hoàn thiện và đạt cực đại. Khi màu của mẫu đã đạt cực đại, dung dịch màu được bảo quản trong ống nghiệm có nắp kín và được theo dõi sau 24 giờ. Kết quả cho thấy sau 24 giờ cường độ màu của dung dịch chỉ giảm khoảng 10% và sau 12 giờ, độ hấp thụ ánh sáng ở bước sóng 420nm hầu như không thay đổi. 3.1.3. Giới hạn phát hiện và độ tuyến tính Để xác định giới hạn phát hiện của phép đo, thực nghiệm được tiến hành như sau: dãy dung dịch chuẩn có nồng độ lớn nhất là 0,5 mg/L và nhỏ nhất là 0.0 mg/L được chuẩn bị trong nước cất. Sau khi cho đầy đủ thành phần các thuốc thử vào, dung dịch được để yên 10 phút, sau đó đem đo độ hấp thụ quang ở bước sóng 420 nm để xác định nồng độ amoni. Kết quả được thể hiện trên hình 8A cho thấy nồng độ amoni có thể phát hiện là 0,1 mg/L. Hình 8. Giới hạn phát hiện và giới hạn tuyến tính của phép đo Để nghiên cứu độ tuyến tính (hay giới hạn nồng độ tối đa) của đường chuẩn, dải nồng độ được khảo sát là từ 8,0 mg/L đến 18,0 mg/L. Kết quả khảo sát thể hiện trên hình 8 B cho thấy nồng độ giới hạn có thể vẫn cho độ chính xác chấp nhận được lên tới 15 mg/L. 3.1.4. Ảnh hưởng của nồng độ hypoclorit Một số nguồn nước sinh hoạt và nước cấp có nồng độ hypoclorit khá cao. Nguyên nhân xuất phát từ quá trình khử trùng nước hoặc tiêu diệt tận gốc các côn trùng có hại đã để lại lượng hypoclorit dư quá lớn. Để khảo sát ảnh hưởng của tác nhân này, các điều kiện cho phân tích amoni được giữ nguyên, chỉ có nồng độ hypoclorit được thêm vào tăng dần từ 0,0 đến 5,0 mg/L. Với nồng độ amoni trong mẫu nghiên cứu là 5,0 mg/L, kết quả được thể hiện trên bảng 5. Bảng 5. Ảnh hưởng của nồng độ hypoclorit
Từ kết quả trên bảng 5 có thể thấy nồng độ hypoclorit trong dung dịch có thể tới 3,5 mg/L vẫn không ảnh hưởng đến kết quả của phép đo. Nhưng khi nồng độ hypoclorit tăng lên đến 4,0 mg/L thì xuất hiện hiện tượng mất màu của dung dịch mẫu phân tích. Điều này có thể giải thích bằng phản ứng của ion hypoclorit với anion iodua đã chuyển iodua thành iod nguyên tố nên đã phá vỡ phức chất màu giữa thủy ngân(II) và iodua. Vì thế hợp chất màu không hình thành được nên màu dung dịch không xuất hiện. 3.1.5. Ảnh hưởng của một số ion cản trở Trong các đối tượng là những nguồn nước nghiên cứu, các ion có thể gây ảnh hưởng đến phép phân tích được liệt kê trên bảng 6. Bảng 6. Các ion thường gặp trong các nguồn nước nghiên cứu
Để khảo sát ảnh hưởng của các ion thường gặp trong các nguồn nước nghiên cứu, đối với từng ion, mẫu phân tích có nồng độ amoni là 5,0 mg/L, các điều kiện khác được giữ nguyên và nồng độ ion nghiên cứu được đưa vào tăng dần. Đến một nồng độ nào đó, trong mẫu phân tích xuất hiện hiện tượng tăng, giảm màu rõ rệt, xuất hiện hiện tượng gây đục hay thay đổi màu dung dịch; tại nồng độ đó được xác định là nồng độ tối thiểu bắt đầu ảnh hưởng đến phép phân tích. Kết quả trên bảng 6 cho thấy các ion NO2-, NO3- với nồng độ khá cao vẫn chưa ảnh hưởng đến phép đo. Ion Ca2+ tới 400 mg/L mới bắt đầu gây ảnh hưởng do Ca2+ thủy phân trong môi trường kiềm mạnh tạo nên hiện tượng gây đục mẫu. Ion Mg2+ với nồng độ nhỏ hơn canxi đã gây ảnh hưởng là do tích số tan của Mg(OH)2 nhỏ hơn Ca(OH)2. Các ion khác cũng gây ảnh hưởng song chỉ khi chúng ở nồng độ rất cao so với nồng độ tự nhiên của chúng. Trong thực tế, nồng độ của các ion này khá thấp so với mức độ gây ảnh hưởng tới phép đo. Trong những trường hợp mức nồng độ tối đa hay bất thường của các ion trong các nguồn nước nghiên cứu vượt mức độ gây ảnh hưởng đến phép đo thì mẫu mới cần xử lý trước. Do vậy phép đo vẫn cho kết quả tin cậy đáp ứng được yêu cầu phân tích và quan trắc amoni trong khuôn khổ các nguồn nước nghiên cứu. 3.1.6. Quy trình phân tích nhanh amoni bằng phương pháp Nessler Dựa trên quy trình phân tích chuẩn trong Standard Methods for Examination of Water and Wastewater xuất bản của APHA và các kết quả nghiên cứu, khảo sát trên, chúng tôi đưa ra quy trình phân tích nhanh amoni bằng phương pháp Nessler như sau: Lấy một thể tích 10 ml mẫu nước cho vào ống nghiệm dung tích 20 ml. Lần lượt thêm 2 giọt dung dịch Segnet nồng độ 10%, lắc đều. Thêm 4 giọt thuốc thử Nessler, lắc đều, để yên 10 phút sau đó đem đo trên máy trắc quang. Làm lặp lại như thế 5 lần rồi lấy kết quả trung bình. Ở hiện trường có thể so sánh với thang màu chuẩn để có kết quả. Trong trường hợp nồng độ amoni cao quá 10 mg/L, cần thiết phải pha loãng bằng nước không amoni và khi tính kết quả phải nhân với hệ số pha loãng. 3.1.7. Lập đường chuẩn theo điều kiện tối ưu Đường chuẩn và dãy màu chuẩn được lập theo quy trình đề xuất ở mục 3.1.6. và được thực hiện như sau: Lấy 10 ml dung dịch của từng mẫu trong dãy mẫu chuẩn, có nồng độ amoni từ 0,0 đến 10,0 mg/L cho vào các ống nghiệm dung tích 20 ml. Lần lượt thêm 2 giọt dung dịch Segnet có nồng độ 10%, lắc đều. Thêm 4 giọt thuốc thử Nessler, lắc đều, để yên 10 phút đem đo độ hấp thụ quang của dãy mẫu ta thu được số liệu của đường chuẩn phân tích amoni trên máy quang phổ. Làm lặp lại như thế ít nhất 3 lần rồi lấy giá trị trung bình, vẽ đồ thị sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang (ABS) vào nồng độ amoni chuẩn ta thu được đường chuẩn phân tích amoni trên máy quang phổ hoặc máy so màu. A
Hình 9. Đồ thị đường chuẩn cho phân tích nhanh theo Nesler 3.2. Nghiên cứu lựa chọn điều kiện phân tích nhanh amoni theo phương pháp phenat Như đã trình bày ở phần trên hay theo các tài liệu về phương pháp Phenat chuẩn; mặc dầu sử dụng xúc tác (như quy trình phân tích đầu tiên của phương pháp này) quá trình phản ứng để tạo màu indophenol phải kéo dài khoảng 60 phút. Sự cải tiến sau này khi cho phản ứng tạo monocloramin trước ở pH 10 và phản ứng hiện màu indophenol ở pH 12 thì phản ứng hiện màu hoàn toàn chỉ còn khoảng 3 phút. Để thực hiện mục tiêu nghiên cứu, chúng tôi thử nghiệm chuyển phương pháp Phenat chuẩn để phân tích nhanh với thuốc thử là thymol – một dẫn xuất của phenol được sử dụng và các thành phần khác với nồng độ phù hợp cho phân tích nhanh. Quy trình phân tích tổng quát được thực hiện như sau: Lấy 2,5 ml dung dịch NH4+ có nồng độ 5 mg/l vào bình định mức 25 ml; thêm 0,5 ml dung dịch natri nitropruside 2% (NNP); 1 ml dung dịch đệm cacbonat pH = 10 và 0,5 ml dung dịch NaOCl (1% clo hoạt động), lắc đều mỗi lần thêm rồi để yên trong vòng 1 phút. Sau đó, thêm tiếp 1ml dung dịch thymol 3,0 % trong NaOH; định mức đến vạch và lắc đều. Để yên cho dung dịch hiện màu hoàn toàn (khoảng 4 phút) rồi đo trên máy quang phổ ở bước sóng 693 nm. 3.2.1. Đánh giá về thời gian xuất hiện màu và độ bền màu Thí nghiệm được thực hiện theo quy trình tổng quát trình bày ở phần trên. Nồng độ amoni cho thí nghiệm là 0,5 mg/L. Sau khi cho thuốc thử cuối cùng là thymol vào bình nón, lắc đều, bắt đầu tính thời gian và đo độ hấp thụ quang của dung dịch bằng cách đọc liên tục giá trị độ hấp thụ quang sau mỗi 30 giây so với mẫu trắng cho tới khi giá trị này không tăng nữa. Dung dịch còn lại được lưu trữ trong bình nón với nắp kín khí và độ hấp thụ quang được đo sau mỗi 8 giờ. Kết quả thí nghiệm được thể hiện trên bảng 7 và hình 10. Bảng 7. Thời gian xuất hiện màu indothymol
Hình 10. Thời gian hiện màu của mẫu thí nghiệm Từ kết quả trên bảng 7 và hình 10 cho thấy thời gian để phản ứng tạo màu indothymol khá nhanh. Trong vòng 2,5 phút đầu, cường độ màu tăng gần như tuyến tính với độ dốc lớn; song sau đó đạt cực đại ngay sau 3 phút. Từ 3 phút trở đi màu của dung dịch hầu như không thay đổi và có cường độ màu rất cao; hệ số tắt phân tử lên tới trên 15.000. Dung dịch còn lại để trong bình có nút kín khí cho thấy sau 72 giờ cường độ màu của dung dịch vẫn được giữ gần như không thay đổi. Điều này chứng tỏ rằng màu indothymol rất bền trong điều kiện các thành phần của dung dịch chưa thay đổi, thỏa mãn những yêu cầu khắt khe nhất về độ bền màu của dung dịch phân tích. 3.2.2. Ảnh hưởng của pH và các dung dịch đệm Như đã trình bày trên phần thực nghiệm, để bảo đảm cho phản ứng 1 tạo monocloramin, pH dung dịch cần thiết phải ở xung quanh 10, chúng tôi đã sử dụng đệm bicacbonat. Để lượng đệm đưa vào phù hợp với pH yêu cầu, chúng tôi đã làm thí nghiệm với các thể tích đệm khác nhau, đồng thời đo pH của dung dich song song với việc đo độ hấp thụ quang. Nồng độ amoni trong thí nghiệm này được giữ nguyên ở 0,5 mg/L. Quá trình tiến hành thực hiện theo quy trình tổng quát. Kết quả thu được thể hiện trên hình 11. Hình 11. Sự phụ thuộc của pH và độ hấp thụ quang vào thể tích đệm Từ kết quả trên cho thấy 1 ml dung dịch đệm cho vào cùng với 1 ml dung dịch oxi hóa, pH của dung dịch đã có thể xuống xấp xỉ 10. Đồng thời tại pH này độ hấp thụ quang cũng đã cho giá trị cực đại. Nếu thêm tiếp dung dịch đệm vào, pH hầu như sẽ không đổi và độ hấp thụ quang cũng vậy. Do đó lượng đệm cần thiết cho vào phản ứng được xác định là 1.0 ml. 3.2.3. Ảnh hưởng của nồng độ hypoclorit Nghiên cứu ảnh hưởng của ion hypoclorit, chúng tôi thực hiện thí nghiệm như trên mục 3.2.2. với thể tích dung dịch đệm thêm vào là 1,0 ml; dung dịch hypoclorit thay đổi tăng dần theo bảng 8. từ 0,0; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0 và 6,0 ml. Kết quả thu được thể hiện trên bảng 8 và hình 12. Bảng 8. Ảnh hưởng của sự thay đổi lượng chất oxy hoá đến độ hấp thụ quang
Hình 12. Ảnh hưởng của nồng độ hypoclorit Từ kết quả trên hình 12 có thể thấy rằng nồng độ hypoclorit ảnh hưởng mạnh đến phép đo. Nhưng nồng độ phù hợp nằm trong một khoảng khá rộng từ 1 đến 4 ml dung dịch ClO- 0,05%, ở đó độ hấp thụ quang tiến gần đến giá trị cực đại và hầu như không thay đổi; nhưng tốt nhất là trong khoảng từ 2,0 đến 3,0 ml. 3.2.4. Ảnh hưởng của nồng độ natri nitropruxit Thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của nồng độ xúc tác natri nitropruxit được tiến hành như quy trình tổng quát và các điều kiện tối ưu từ mục 3.2.1 đến 3.2.3. Nồng độ amoni là 0,5 mg/L, nitropruxit được đưa vào tăng dần từ 0,0 đến 1,0 ml. Kết quả thí nghiệm được thể hiện trên bảng 9. Bảng 9. Ảnh hưởng của nồng độ xúc tác natri nitropruxit
3.2.5. Ảnh hưởng của nồng độ thuốc thử Ảnh hưởng của nồng độ thuốc thử thymol được nghiên cứu trong những điều kiện tối ưu đã được xác định ở trên đối với các thành phần khác của mẫu. Hàm lượng thuốc thử thymol 3% pha trong kiềm NaOH được cho vào phản ứng tăng dần từ 0,5 đến 5,0 ml. Tiến hành theo quy trình tổng quát các kết quả thu được thể hiện trên bảng 10. Bảng 10. Ảnh hưởng của thuốc thử thymol
Chia sẻ với bạn bè của bạn:
Page 3<0,1>* Phương pháp phenat Phương pháp phenat dựa trên phản ứng tạo phức màu xanh đậm indophenol – giữa amoni, phenol và hypoclorit nhờ sự xúc tác của muối Mn(II). Phương pháp có thể xác định tới 0,01 đến 0,50 mg NH4+-N/l. Dùng thuốc thử phenat, người ta có thể xác định được cả nitơ trong các loại nước tự nhiên (nước nguồn) và cả nitơ trong nước cống bằng phương pháp trắc quang. Khoảng nồng độ của nó tuyến tính đến 0,6 mg NH3-N/l.Các yếu tố ảnh hưởng có thể loại bằng cách chưng cất vào chất hấp thụ là H2SO4. Ngoài ra, còn có phương pháp phenat tự động được ứng dụng trên khoảng nồng độ từ 0,02-2,0 NH3-N/l. Độ kiềm quá 200 mg/l (tính theo CaCO3) và độ axit lớn hơn 100 mg/l (tính theo CaCO3), cũng như độ đục sẽ ảnh hưởng đến phép xác định. Việc loại trừ ảnh hưởng này có thể thực hiện bằng cách chưng cất trước. Ngoài ba phương pháp chủ yếu trên, các phương pháp phân tích dòng chảy (FIA), sắc ký ion (IC), phương pháp enzym, phân tích dòng liên tục (sequential injection analysis-SIA) và sắc ký khí – khối phổ (GC/MS) cũng được sử dụng để xác định amoni trong nước. 1.3. Các công trình nghiên cứu xác định nhanh amoni Như trên (mục 1.2) đã trình bày “việc xác định hàm lượng amoni đã trở thành một nhiệm vụ khá quan trọng trong phân tích môi trường, đặc biệt là phân tích nước”, tuy nhiên việc phân tích amoni trong các đối tượng môi trường thường mất nhiều thời gian, thiết bị phải chuyên dụng và quy trình phức tạp do phải xử lý làm giàu, loại các ảnh hưởng, ... Thêm nữa, độ chính xác của phương pháp xác định nitơ-amoni phụ thuộc rất nhiều vào cách lấy mẫu và xử lý bảo quản mẫu; mẫu chưa được phân tích ngay thường tạo ra sai số do sự chuyển hóa sang các dạng chứa nitơ khác. Vì thế đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu, tìm cách có thể xác định ngay và nhanh nồng độ amoni, đặc biệt là amoni trong môi trường nước và không khí. Các nghiên cứu này đa phần sử dụng phương pháp quang, hoặc trên cơ sở phương pháp quang chế tạo các sensơ nhạy amoni, chiết điểm sương phức màu indophenol, ... Dưới đây là một số công trình tiêu biểu. Năm 1992 W. Sellien và cộng sự đã nghiên cứu chế tạo một sensơ quang hóa để quan trắc ion amoni trong các dung dịch nước. Các tính chất của sensơ dựa trên một chỉ thị pH không thay đổi. Giới hạn phát hiện của sensơ phụ thuộc vào giá trị pKa của chỉ thị pH đã sử dụng và vào pH cũng như nhiệt độ của mẫu. Với p-xylenol xanh (pKa = 2,0), giới hạn phát hiện là 1.10-6 M/L NH4+ (pH = 6,8; to = 22oC). Thời gian đáp ứng phụ thuộc vào nồng độ ion amoni và dao động từ 1 đến 60 phút. Độ bền của sensơ > 6 tháng. Sensơ được tối ưu hóa để phân tích nước thải mà không cần tiền xử lý mẫu. Nồng độ amoni đo được phù hợp với các kết quả phân tích bằng những phương pháp truyền thống khác [33]. Martina Trinkel và các đồng nghiệp (1996) đã nghiên cứu chế tạo sensơ quang cho xác định amoniac trên cơ sở cặp ion (thuốc nhuộm nhạy pH (bromophenol xanh) được cố định như một cặp ion liên hợp với cetyltrimethylammonium trong nền silicon) [25]. Màu của thuốc nhuộm thay đổi từ vàng đến xanh theo sự tăng nồng độ amoni trong mẫu. Nồng độ amoni được đo theo độ truyền qua ở một bước sóng xác định. Tất cả các phép đo được thực hiện với một chùm sáng kép, máy đo quang trạng thái rắn. Khoảng đo dao động từ 6.10-7 đến 1.10-3 M (0,01 ÷ 17 µg/L) trong đệm phosphat natri 0,1M, pH 8. Thời gian đáp ứng 90% và 100% ở tốc độ dòng 2,5 ml/ph là 4 phút và 10 phút, cho một sự thay đổi từ 41,9 ÷ 82,5 µM amoni; hoặc 12 và 48 phút cho sự thay đổi từ 160 ÷ 0 µM amoni. Độ ổn định của phép đo bị hạn chế bởi tín hiệu nền và độ nhạy amoni. Sensơ sử dụng tốt trong khoảng thời gian một vài ngày. Độ bền lưu kho là > 10 tháng (khô). Không bị ảnh hưởng của pH trong khoảng từ 5 đến 9. Hiệu quả sử dụng của sensơ bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi các amin và các chất tảy rửa cation. Sensơ có thể được làm sạch lại bằng H2O2 3% hoặc sấy khô (90oC). King Tong Lau và cộng sự (2004) đã chế tạo được sensơ amoni rắn trên cơ sở sử dụng phương pháp tạo màu indophenol, cho phép tốc độ hình thành màu nhanh hơn so với sensơ loại này đã biết trước đây. Nhiệt độ trong quá trình xác định màu ở khoảng 20oC; độ tuyến tính của phép đo nằm trong khoảng nồng độ từ 1÷ 10 ppm. Ý tưởng về một hệ thống bán tự động bao gồm một camera kỹ thuật số đen trắng được chiếu sáng bằng đèn LED màu đỏ, xanh lá cây và xanh da trời để đo độ đáp ứng của sensor [21]. Năm 2005, Joon-Shik Park và cộng sự [28] cũng đã đưa ra ý tưởng và chế tạo thành công những vi hệ thống phân tích tích hợp amoni (IMAAS) có bình phản ứng nhỏ và detector quang đẳng diện kèm bộ vi chia dòng. Sử dụng quy trình MEMS để chế tạo IMAAS có kích thước 5 cm x 5 cm và dày 1 mm. IMAAS được nối với đầu vào và đầu ra, sợi quang học nối với nguồn sáng đẳng diện và detector quang UV liên kết epoxy. Tốc độ phản ứng chuyển hóa amoni để hình thành indophenol trong IMAAS được tăng lên nhờ nhiệt độ. Trong trường hợp phản ứng ở 318oK, thời gian phản ứng < 1 phút, phù hợp tốt cho việc phân tích amoni hiện trường. Trong tương lai, nhóm tác giả mong muốn sẽ chế tạo những hệ thống nhỏ kiểu này để phân tích linh hoạt các chất khác cũng như để xác định tổng cộng cả nitơ hữu cơ và nitơ amoni. Chúng ta cũng biết rõ là việc đánh giá nồng độ các ion nitrat và amoni trong nước ngầm bị nhiễm bẩn bởi các nguồn nước thải là cực kỳ quan trọng. Những xác định này thường được thực hiện trong phòng thí nghiệm sử dụng thiết bị hiện đại và tinh sảo trong khoảng thời gian từ 2 giờ đến 3 ngày. Tuy nhiên, nhiều khi chúng ta cần có kết quả nhanh và tại chỗ. Bởi thế việc xác định được nhanh cả nitrat và amoni là rất cần thiết nhờ sử dụng một test kit hiện trường amoni (LaMotte, Chestertown, MD). Test được chế tạo sử dụng khả năng khử của TiCl3 mà có thể chuyển ion nitrat (đến 15 ppm) sang amoni (Braunstein, et al, 1980). Nitrat đã khử bằng TiCl3 không cần dùng bột Cd độc nữa. Bởi thế phương pháp có khả năng xác định ion nitrat và ion amoni lần lượt sử dụng test kit hiện trường amoni. Nồng độ test kit hiện trường cho kết quả tốt tương đương phòng thí nghiệm (R2 = 0,85 và 0,89) và độ phân tán (độ lệch chuẩn) giữa 2 phương pháp là nhỏ, chứng tỏ test kit là phương pháp hiện trường chấp nhận được [16]. Với thuốc thử Nessler, đã được sử dụng từ rất lâu để xác định N-amoni trong các loại nước khác nhau [21, 33], thì trong quy trình phân tích nước uống chỉ cần nước cất không amoni là đủ nhạy, nhanh và đơn giản. Tuy nhiên, người ta vẫn tìm thấy những ảnh hưởng khác nhau của nền mẫu đến kết quả phân tích. Những ảnh hưởng này, trước tiên phải nói đến sự xuất hiện các hợp chất cloramin vô cơ và clo dư của nước uống sau khử trùng clo. Mặc dù đã có khuyến cáo phải khử hết cloramin và clo dư ra khỏi mẫu trước khi cho thuốc thử Nessler bằng một lượng thisulphat tương đương (được tính toán nhờ việc sử dụng dữ liệu xác định clo có sẵn trong một mẫu nước riêng – theo GOST 4129). Nhưng những kiểm tra sơ bộ đã cho thấy việc khuyến cáo này là sai lầm. Theo nghiên cứu của L. N. Demutskaya and I. E. Kalinichenko (công bố tháng 4. 2010), phân tích nước uống đã khử trùng bằng clo theo phương pháp Nessler cũng phải được cải tiến [24]. Hay như phương pháp Nessler chuẩn khuyến cáo đo quang ở hai bước sóng khác nhau phụ thuộc vào nồng độ amoni trong mẫu (< 5 mg/L đo ở khoảng 420 nm và > 5 mg/L đo ở 500 nm) [15] và đo độ hấp thụ quang (trước và sau khi phá hủy phức màu bằng axit thioglycolic) có thể xác định được N-amoni trong các mẫu nước tự nhiên có nồng độ axit humic cao mà không cần xử lý đặc biệt mẫu [24]. Lý do của những khuyến cáo này là việc cho rằng sự hình thành các sản phẩm màu khác nhau của tetraiodo thủy ngân với ion amoni trong môi trường kiềm [15]. Nhưng thực ra, màu quan sát được trong trường hợp này là do phức polime tan của Hg [24] chứ không phải là màu của những hạt keo mịn như những công bố trước đây [21, 33]. Các sản phẩm chính của sự tương tác này là các phức màu polime của thủy ngân (II) chứa N-nitrua, iodua và ion OH-, được hình thành trong quá trình tự xúc tác phức tạp [23]. Mặt khác, đã biết rằng việc xác định N-amoni bằng thuốc thử Nessler thường bị ảnh hưởng bởi các amin béo và thơm, các cloramin hữu cơ, các ancol, các andehyt, xeton và các hợp chất khác [15, 23] làm ảnh hưởng đến màu của phức giữa thuốc thử Nessler và ion amoni, đồng thời gây đục. Nên trong quá trình phân tích, các mẫu nước chứa hàm lượng các hợp chất trên cao thường phải được tách thu amoniac nhờ chưng cất Kjeldahl. Tương tự để loại bỏ các ảnh hưởng gây đục, khi phân tích amoni trong nước uống, tatrat được cho vào để tạo phức tan với Ca, Mg và Fe(III) trong môi trường kiềm. Chính vì vậy, những nghiên cứu nhằm tạo điều kiện xác định nhanh và ngay amoni trên hiện trường vẫn luôn được tìm kiếm và phát triển, cải tiến. Đến năm 1999, Minoru OKUMURA và các đồng nghiệp của ông đã nghiên cứu và công bố công trình sử dụng phương pháp trắc quang và so màu bằng mắt đơn giản để xác định nitơ-amoni trong nước. Phương pháp được đề xuất dựa trên sự phát triển màu xanh indothymol hình thành giữa NH4+ và thymol. Sự phát triển màu được tăng nhanh nhờ xúc tác nitroprusside và thay đổi quy trình tạo màu. Màu đã xuất hiện nhanh rõ rệt so với các phương pháp truyền thống dùng indothymol xanh và indophenol xanh. Khoảng nồng độ xác định bằng phương pháp trắc quang là 0,04-1,2 mg/l theo NH4 – N. Độ hấp thụ cho 1 µg NH4 – N là 0,0215 (độ hấp thụ phân tử mol = 1,51.104) ở 690 nm. Phương pháp so màu bằng mắt không sử dụng dụng cụ được coi là phương pháp phù hợp cho hiện trường đã được phát triển dựa trên các điều kiện tối ưu đối với phương pháp trắc quang đã xây dựng. Phương pháp đo bằng mắt này đã được áp dụng thành công để xác định nitơ-amoni trong các môi trường nước, mà không cần thiết bị cũng có thể phân tích được nhiều mẫu nước trong một thời gian ngắn trực tiếp ở vị trí lấy mẫu [26]. Sau đó các tác giả này [27] còn nghiên cứu một phương pháp làm giàu sơ bộ ngay tại chỗ đơn giản và nhanh chóng dùng cho việc xác định lượng NH4+ nhỏ trong các mẫu nước bằng phổ quang kế đã được phát triển dựa trên phương pháp chiết pha rắn sử dụng một ống nhỏ có bọc ngoài một lớp octadecyl và bôi thêm lớp gel axit silisic (Sep-Pak C18 cartridge). Mẫu nước được đổ vào từ từ để công việc được tiến hành một cách đơn giản, và ngăn chặn được sự ô nhiễm ngay lập tức sau khi đổ các mẫu nước vào. Amoni trong mẫu nước được phản ứng với hypoclorit và thymol để chuyển thành màu xanh indothymol; sau đó màu xanh này sẽ được thu lại như một cặp ion gồm ion màu xanh indothymol và ion tetrabutylammonium trong ống Sep-Pak C18. Màu xanh indothymol trên ống duy trì được trong 4 ngày. Màu xanh này dễ dàng được tách rửa bằng một hỗn hợp gồm methanol và dung dịch sodium hydroxide 0,01mol/L. Độ đậm của màu được đo bằng quang phổ kế ở bước sóng 725nm. Phương pháp đề xuất này đã được ứng dụng thành công đối với các mẫu nước ngoài môi trường như nước sông và đã sử dụng vào việc đo amoni trong các mẫu nước sông Hii và sông Asakumi. Sông Hii chảy qua các khu vực không có dân cư và đổ vào hồ Shinji, và sông Asakumi là một con sông nội thành, chảy qua thành phố Matsue đổ vào hồ Nakaumi. Keiichi Fukushi và cộng sự [19] đã sử dụng phương pháp điện di mao quản có đầu dò UV trực tiếp để xác định amoni trong các mẫu nước sông và biển. Theo cách này, các ion kim loại kiềm và kiềm thổ cùng có mặt trong mẫu không ảnh hưởng đến phép xác định. Giới hạn phát hiện (LOD) là 0,24 mg (N2)/L. Kết quả phù hợp với việc phân tích bằng sắc ký ion. Năm 2008, Abbas Afkhami và Rasoul Norooz-Asl [14] dã công bố một quy trình chiết điểm sương nhanh, chọn lọc và nhạy sử dụng hỗn hợp chất hoạt động bề mặt trung tính (Triton X-114) và cationic (cetyltrimethylammonium bromide – CTAB) để chiết indophenol đã thành thành trong phản ứng Berthelot với amoni từ dung dịch lỏng. Phản ứng dựa trên phản ứng màu của amoni và phenol dưới các điều kiện oxy hóa phù hợp trong môi trường kiềm và chiết điểm sương thuốc màu đã được sinh ra. Hiệu quả của phản ứng và các thông số chiết đã được nghiên cứu và các thông số tối ưu đã được xây dựng. Độ tuyến tính của phép xác định năm trong khoảng 2,00 ÷ 125,00 mg/L amoni. Giới hạn phát hiện của phương pháp là 1 mg/L. Ảnh hưởng của một số ion cũng được kiểm tra. Phương pháp được ứng dụng để xác định amoni trong các mẫu nước tự nhiên. Tóm lại, có rất nhiều nghiên cứu nhằm tìm kiếm xác định nhanh, tiện lợi, đơn giản và chính xác các kỹ thuật hiện đại trên cơ sở của sự tạo phức màu. Một số kỹ thuật phân tích được tổng kết trong bảng dưới đây. Chương 2. ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP, NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng nghiên cứu Hiện trạng các nguồn nước sinh hoạt trong địa bàn Hà Nội bị nhiễm amoni là một vấn đề đang được quan tâm. Để có cái nhìn đúng đắn và khoa học về vấn đề này chúng ta cần nắm rõ được hiện trạng nhiễm amoni thực tế đang diễn ra. Vì thế để có được kết quả nhanh và chính xác thì phương pháp xác định là điều rất quan trọng. Nghiên cứu phương pháp xác định nhanh ion amoni không chỉ giúp đánh giá chính xác sự nhiễm amoni mà còn giúp tiết kiệm được thời gian cũng như công sức của đội ngũ kỹ thuật viên cũng như các nhà nghiên cứu, cho kết quả chính xác trong thời gian sớm nhất phục vụ tốt cho quá trình khảo sát, điều tra về tình trạng nhiễm amoni. Vì thế đối tượng nghiên cứu trong luận văn này là tìm ra phương pháp xác định nhanh amoni trong nước sinh hoạt và ứng dụng để đánh giá sự nhiễm amoni trong một số nguồn nước cấp của Hà nội. 2.2. Phương pháp nghiên cứu 2.2.1. Phương pháp tổng quan tài liệu Các tài liệu, số liệu, bản đồ, các công trình nghiên cứu có liên quan đến khu vực nghiên cứu sẽ được thu thập. Tài liệu thu thập được sẽ được xử lý, phân loại và từ đó xác định những vấn đề cần thiết cho việc nghiên cứu và khảo sát của luận văn. Các phương pháp có thể sử dụng hoặc chuyển đổi để phân tích nhanh amoni được khảo cứu từ các tài liệu trong và ngoài nước. Các tài liệu, số liệu về nhiễm amoni trong các nguồn nước sinh hoạt của khu vực nghiên cứu, được thu thập từ Sở tài nguyên và môi trường, các báo cáo thường niên của địa phương và các nghiên cứu khoa học liên quan. Để đạt mục tiêu của luận văn, các phương pháp nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đã được tiến hành nhằm tìm chọn được phương pháp có thể xác định nhanh nồng độ amoni trong các mẫu nước cấp, nước ngầm và nước ăn uống. Trên cơ sở tổng quan tài liệu, xem xét các phương pháp xác định amoni, hai nhóm thuốc thử vô cơ và hữu cơ được lựa chọn để khảo sát trong luận văn. Nhóm thuốc thử vô cơ được chọn là phương pháp sử dụng thuốc thử Nessler (phương pháp Nessler). Nhóm thuốc thử hữu cơ được lựa chọn là phương pháp Berthelot với thuốc thử dẫn xuất của phenol là thymol. Cả hai phương pháp này đều có thể chuyển hóa thành các phương pháp phân tích nhanh tại hiện trường (bằng cách xây dựng thang màu chuẩn - tương đương như đường chuẩn trên máy) thay vì đo trên máy trắc quang tại phòng thí nghiệm. 2.2.3. Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa Sau khi xây dựng được quy trình phân tích nhanh amoni, việc khảo sát thực địa được tiến hành nhằm mục đích lập sơ đồ lấy mẫu và lấy mẫu nước để đánh giá hiện trạng nhiễm amoni trong một số nguồn nước cấp khu vực nội thành Hà nội bằng quy trình phân tích đã xây dựng. 2.3. Nội dung nghiên cứu 2.3.1. Hóa chất, dụng cụ thí nghiệm và thiết bị phân tích * Dụng cụ và thiết bị phân tích - Máy cất nước Aquatron A4000D, xuất xứ Cộng hoà Liên bang Đức. - Cân phân tích hiệu Citizen, model: CX220, xuất xứ Ba Lan. - Bình định mức các cỡ. - Pipet có các dung tích khác nhau. - Cốc thuỷ tinh, phễu, giấy lọc. - Chai polietylen 500 ml. - Tủ lạnh để bảo quản hoá chất và mẫu. - Máy đo pH: Mi 151 Martini instruments, xuất xứ Phần Lan. - Máy đo quang JASCO V-530, xuất xứ Nhật Bản. * Hoá chất, thuốc thử và cách pha chế - Nước cất không amoni Nước cất không amoni có thể chuẩn bị bằng cách: cho nước đã cất qua cột trao đổi ion chứa nhựa trao đổi ion hỗn hợp Amberlite MB-1. Hoặc có thể sử dụng thẳng nước cất 2 lần vừa mới sản xuất. Sau đó, nước đã loại amoni được dự trữ trong bình thủy tinh trung tính có nút đậy kín khí. Sử dụng nước cất không amoni cho tất cả các thí nghiệm tiếp theo. - Dung dịch amoni (N-NH4+) chuẩn + Dung dịch gốc chứa 0,1 g N-NH4/L: cân 0,3819 g NH4Cl tinh khiết hoá học (đã sấy khô ở 105oC trong 2h) cho vào bình định mức 100 ml và định mức bằng nước cất không amoni đến vạch mức. Dung dịch này có nồng độ N-NH4+ = 1g/L. + Các dung dịch chuẩn có nồng độ amoni thấp hơn được pha loãng từ dung dịch chuẩn gốc trước khi sử dụng bằng nước cất không amoni. - Dung dịch Segnet 30%: cân 50 g KNaC6H4O6 hoà tan sau đó định mức tới 100 ml bằng nước cất không amoni. - Thuốc thử Nessler + Nessler A: hòa tan một lượng cân chính xác 7,0 g KI và 10,0 g HgI2 trong khoảng 50 ml nước cất không amoni, rồi định mức thành 100 ml. + Nessler B: cân chính xác 16g NaOH sau đó hoà tan và định mức thành 50 ml bằng nước cất không amoni. Thuốc thử Nessler gồm 100ml Nessler A với 50ml Nessler B; trộn hai thể tích với nhau, lắc đều, để lắng một ngày trong chỗ tối, sau đó lọc lấy phần nước trong bằng giấy lọc hoặc gạn lấy dung dịch khỏi phần cặn lắng. Bảo quản dung dịch trong lọ thủy tinh màu nâu có nút nhám và nên để trong bóng tối. - Dung dịch Thymol 3%: cân chính xác 3,000 g thymol (5-metyl-2-isopropylphenol), hoà tan trong 100 ml dung dịch NaOH 2M. - Dung dịch đệm: cân 0,794 g Na2CO3 và 0,504 g NaHCO3 cho vào bình định mức 100 ml và định mức đến vạch bằng nước cất không amoni. - Dung dịch chuẩn hypoclorit 1%: sử dụng 1 ml dung dịch hypoclorit (5% clo hoạt động , Pakshoo), pha loãng với 4 ml nước cất không amoni để được dung dịch chuẩn gốc. Dung dịch này có thể sử dụng trong 5 ngày. Từ dung dịch chuẩn gốc, pha các dung dịch có nồng độ mong muốn ngay trước lúc sử dụng. - Dung dịch citrat kiềm: hòa tan 200 g Na3C6H5O7.2H2O và 10 g NaOH trong nước không có amoni, lắc đều cho tan, sau đó định mức thành 1000 ml. - Dung dịch oxi hóa: trộn lẫn 100 ml dung dịch citrat kiềm với 25 ml dung dịch hypoclorit. - Dung dịch natri nitropruxit 2%: cân 2 g natri nitroprusside dihydrat (Na4[Fe(CN)5NO].2H2O), hòa tan trong bình định mức 100 ml bằng nước cất không amoni. Bảo quản trong chai tối màu. Sau đó, pha các dung dịch làm việc có nồng độ mong muốn từ dung dịch này trước khi sử dụng. Một số các hóa chất khác dùng cho nghiên cứu đều phải có độ tinh khiết PA hoặc tinh khiết hóa học của Việt nam, Trung quốc, Merck, Pakshoo. Các thuốc thử đều của hãng Merck. 2.3.2. Nghiên cứu xác định nhanh amoni trong nước sử dụng phương pháp Nessler Đây là phương pháp đại diện và tiêu biểu nhất của thuốc thử vô cơ cho xác định amoni và có lẽ cũng là phương pháp đo màu sớm nhất được Julius Nessler (Nhà Hóa học người Đức, 1827-1905) đề nghị sử dụng lần đầu tiên vào năm 1856. Nguyên tắc của phương pháp là dung dịch muối amoni loãng sẽ phản ứng với thuốc thử Nessler (K2HgI4) trong môi trường kiềm để sản sinh ra một chất keo màu vàng đến nâu sẫm/đỏ; để lâu hoặc nồng độ amoni lớn sẽ tạo kết tủa bông. Màu tạo ra giữa thuốc thử Nessler và ion amoni có cực đại hấp thụ quang trong khoảng bước sóng từ 420 đến 500 nm tùy thuộc vào nồng độ amoni trong mẫu [APHA 18th ed.]. Cũng phải nói rằng, phương pháp so màu với thuốc thử Nessler vốn là một phương pháp tiêu chuẩn và được coi là phương pháp đo chất lượng nước kinh điển hơn một thế kỷ qua [APHA 19th & 20th ed.]. Mặc dù việc sử dụng thủy ngân là độc và ngày nay đã không coi nó là phương pháp tiêu chuẩn nữa, nhưng nó vẫn được sử dụng để xác định amoni trong thực tế và cả để làm các test kit xác định nhanh amoni [24]. Các ion sắt, canxi, magie,... trong nước gây cản trở phản ứng nên cần phải loại bỏ bằng cách chưng cất hoặc che bằng dung dịch Segnet hay dung dịch EDTA. Nước đục xử lý bằng dung dịch ZnSO4 5%. Clo dư trong nước được loại trừ bằng dung dịch Natrithiosunfat 5%. Phương pháp Nessler có khả năng xác định được amoni trong khoảng 0,2 – 10,0 mg N-NH3/L. * Phương pháp tiêu chuẩn (theo APHA, tái bản lần thứ 18, 1992) Đường chuẩn cho xác định ion amoni được xây dựng như sau: chuẩn bị 1 loạt ống Nessler (hoặc bình định mức) 50 ml thêm lần lượt 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0; 7,0; 8,0; 9,0 và 10,0 ml dung dịch NH4Cl tiêu chuẩn (nồng độ 50 mg NH3/L). Thêm 1 ml dung dịch Segnet, lắc đều; thêm tiếp 2 ml dung dịch thuốc thử Nessler vào mỗi ống và điền nước đến 50 ml, lắc đều. Để yên 10 phút rồi so màu trên máy trắc quang ở bước sóng 420 nm. Tiến hành xác định amoni trong các mẫu thực tế như sau: cho vào bình nón (dung tích 250 ml) 100 ml dung dịch mẫu nghiên cứu, thêm 1 ml ZnSO4 10%, lắc đều. Điều chỉnh pH đến 10,5 bằng dung dịch NaOH 6N. Để lắng vài phút rồi lọc lấy phần dung dịch. Tiếp đó lấy vào bình định mức 50 ml một lượng dung dịch đã lọc có hàm lượng NH4+ trong khoảng từ 0,02 - 5,00 mg NH3 - N/L (nếu hàm lượng cao hơn thì có thể pha loãng để có dung dịch nồng độ phù hợp). Loại bỏ các ion cản trở bằng cách thêm 1 ml dung dịch EDTA vào và khuấy đều dung dịch hay dùng 1 ml dung dịch Segnet để che các ion ảnh hưởng đến phép phân tích và thuốc thử Nessler. Thêm 2 ml dung dịch thuốc thử Nessler vào mẫu, lắc đều. Để yên 10 phút rồi so màu ở bước sóng 400-425 nm (nếu dùng cuvet có bề dày 1cm thì có thể phân tích được amoni theo nitơ đến 0,4-5,0 mg/L). Nếu nồng độ nitơ amoni đến 10 mg/L có thể xác định bằng phương pháp này đo ở bước sóng 525 nm. Do màu của dung dịch dịch chuyển từ vàng sang nâu đỏ; cho nên phương pháp Nessler được khuyến cáo sử dụng hai vùng bước sóng để đo độ hấp thụ quang để nâng cao độ chính xác (400 - 425 nm cho khoảng nồng độ 0,2 - 5 mg/L và 450 - 500 nm cho khoảng nồng độ 5 - 10 mg/L) [15]. * Xây dựng phương pháp xác định nhanh theo Nessler Để thích ứng với việc đo nhanh tại hiện trường, với các mẫu phân tích là nước cấp, chúng tôi đã tiến hành lập đường chuẩn và phân tích theo quy trình thu nhỏ như sau: chuẩn bị dãy các ống nghiệm dung tích 20 ml, đánh số thứ tự các ống nghiệm từ 1÷11. Cho vào từng ống nghiệm các dung dịch thuốc thử theo thứ tự như sau:
Cách tính kết quả Đối với mẫu phân tích, lượng mẫu được lấy để đo là 10 ml như đối với mẫu chuẩn và các bước tiến hành được làm tương tự như đối với mẫu chuẩn. Kết quả được xác định như sau: Sau khi đo độ hấp thụ quang trên máy so màu ta được giá trị Abs. Sử dụng phần mềm chuyên dụng để rút ra phương trình đường chuẩn biểu diễn sự phụ thuộc độ hấp thụ quang vào nồng độ amoni trong mẫu. Phương trình đường chuẩn có dạng: y = ax + b → x = ( y – b)/a Các yếu tố ảnh hưởng là pH, nồng độ thuốc thử, các ion ảnh hưởng đến phản ứng và màu của dung dịch được khảo sát theo phương pháp thay đổi một thành phần với nồng độ amoni là 5 mg/L. 2.3.3. Xác định nhanh amoni trong nước sử dụng phương pháp Phenat * Cơ sở lý thuyết và cơ chế phản ứng màu indophenol Phương pháp Phenat là phương pháp dựa vào phản ứng tạo phức màu xanh đậm – indophenol giữa amoni và phenol với hypoclorit ở pH cao. Nhờ độ nhạy, độ chọn lọc cao và ít bị ảnh hưởng bởi các các ion khác, mà phương pháp phenat trong thực tế đã trở thành cơ sở vững chắc cho một quy trình phát hiện và phân tích ion amoni. Các lĩnh vực ứng dụng để phân tích amoni rất đa dạng gồm: xác định amoni trong nước, trong thực phẩm, dịch chiết từ đất, các vật liệu sinh học...[24]. Quá trình hình thành màu xanh của hợp chất indophenol đã được Berthelot mô tả từ đầu năm 1859 [23]. Sau đó, nhiều quy trình xác định amoni trên cơ sở phản ứng Berthelot ra đời và được ứng dụng vào thực tế. Hầu hết các bước tiến hành trong những quy trình khác nhau này đều gồm: việc đầu tiên là thêm một lượng chính xác dung dịch thuốc thử (phenol hoặc dẫn xuất của phenol) vào mẫu chứa amoni, tiếp theo thêm xúc tác (mangan sulfat hoặc natri nitroprusside) và sau đó là dung dịch chất oxy hóa. Nhiệt độ trong quá trình thực hiện các phản ứng tạo màu ở khoảng từ 27 – 37oC; thời gian để màu hình thành và ổn định thường khoảng từ 20 đến 120 phút (tùy quy trình). Màu được hình thành có độ hấp thụ quang cực đại ở bước sóng từ 630 đến 690 nm (tùy thuộc vào dùng phenol hoặc một dẫn xuất nào đó của phenol và điều kiện phản ứng) [17, 20, 21, 22]. Sự có mặt của natri nitroprusside có tác dụng xúc tiến cho phản ứng nhanh hơn, đồng thời nó còn tham gia phản ứng với p-aminophenol tạo sản phẩm có màu tương tự hợp chất indophenol. Phản ứng xảy ra theo hai hướng như vậy đã làm tăng cường độ màu và độ nhạy của phương pháp. Một điều lý thú khi nghiên cứu về sự hình thành màu xanh indo- là việc phát hiện ra khả năng làm tăng độ nhạy và tốc độ hình thành hợp chất màu của các thuốc thử chứa gốc phenol. Theo nhiều nghiên cứu [20], phân tử thuốc thử cần có một chỗ trống ở vị trí para, nhóm hydroxy ở vị trí 2- hoặc 3- so với nhóm ankyl và nhóm ankyl chứa từ 1-6 nguyên tử cacbon. Trên cơ sở đó, một loạt dẫn xuất phenol được thử nghiệm chi tiết và được kiểm tra bằng kỹ thuật ưu tiên để xác định tính phù hợp của chúng trong việc phát hiện, định lượng ion amoni. Chẳng hạn như 2-metylphenol; 2,6-dimetylphenol; 2-clophenol; 2,6- dicl ophenol; guaiacol; o-phenylphenol; m-cresol; 1-naphtol và đặc biệt là 2-metyl-5-hydroxyquinolin cũng được phát hiện là có thể sử dụng được trong thực tế (Analyst 109, 549 (1984)). Các thuốc thử thường được sử dụng nhiều nhất là phenol, axit salicylic và thymol [24]. Tùy thuộc vào nguồn hypochlorit và các hợp phần của phenol, một loạt các yêu cầu về điều kiện tối ưu cho các phản ứng đặc trưng phải được nghiên cứu như pH, thời gian, trình tự thêm tác nhân, ... * Nghiên cứu xác định nhanh ion amoni bằng thuốc thử thymol Theo phương pháp Phenat chuẩn, đường chuẩn và quy trình phân tích được tiến hành như sau: cho vào 25 ml mẫu (mẫu chuẩn hoặc mẫu phân tích) lần lượt 1 ml dung dịch phenol, 1 ml dung dịch nitroprusit và 2,5 ml dung dịch oxi hóa. Lắc đều sau mỗi lần cho thuốc thử vào mẫu. Đậy nắp bình lại và quấn ủ bình bằng giấy plastic hoặc parafin. Để bình trong buồng có nhiệt độ từ 22-270 C với ánh sáng dịu và so màu ít nhất sau 60 phút ở bước sóng 640 nm. Đường chuẩn được tiến hành tương tự. Khoảng tuyến tính để phân tích amoni cả trong nước ngọt và nước biển đến 0,6 mg N-NH3/L [APHA 19&20th, Lucia Solórzano]. Các ion kim loại kiềm thổ và một số các ion kim loại hóa trị ba gây ảnh hưởng mạnh đến phản ứng này. Vì vậy, đa phần các mẫu nước tự nhiên có độ nhiễm bẩn mạnh và nước biển đều phải chưng cất thu amoniac và hấp thụ vào dung dịch axit sulfuric hoặc phải che các ảnh hưởng, rồi mới thực hiện được phân tích trắc quang. Theo quy trình này, thời gian hình thành màu rất lâu và quy trình phân tích rất phức tạp nếu có các yếu tố ảnh hưởng. Với mục đích tìm chọn một quy trình xác định nhanh amoni trong các nguồn nước sinh hoạt, trong luận văn này, chúng tôi chọn thuốc thử Thymol – một dẫn xuất của phenol và hội tụ các điều kiện để đẩy nhanh tốc độ phản ứng nhằm có thể xác định nhanh amoni trong nước. Hình 3. Công thức cấu tạo của Thymol Nguyên tắc của phương pháp như đã trình bày ở phần trên. Màu xanh của hợp chất indothymol hình thành thông qua 2 bước để tạo ra các sản phẩm trung gian và sản phẩm mang màu. Tốc độ của phản ứng tổng thể phụ thuộc vào tốc độ phản ứng của mỗi bước. Việc nghiên cứu để tăng tốc độ phản ứng nhằm rút ngắn thời gian phân tích sẽ được nghiên cứu và khảo sát. Bên cạnh đó với sự tham gia của các thành phần phản ứng phức tạp, mỗi thành phần cũng sẽ được khảo sát. pH cũng là một yếu tố quyết định tính chọn lọc, độ chính xác của phương pháp do đó việc khảo sát pH của dung dịch, các thành phần đệm đóng một vai trò hết sức quan trọng trong nghiên cứu này. Việc xác định amoni bằng phương pháp Phenat còn chịu ảnh hưởng của một số ion cản trở. Do đó nghiên cứu để loại bỏ các yếu tố này là một đòi hỏi mang tính thực tiễn cần khảo sát. Đồng thời, khi tìm hiểu tài liệu chúng tôi nhận thấy, đã có nhiều công trình nghiên cứu nhằm làm sáng tỏ cơ chế của phản ứng [14, 16, 17, 19, 20]. Các nghiên cứu đều cho thấy, thực chất của quá trình hình thành màu xanh indophenol trải qua hai giai đoạn: - Giai đoạn thứ nhất: trong môi trường kiềm (ở pH khoảng 10), dung dịch chứa amoni tương tác với hypoclorit tạo thành monochloramin theo phương trình: NH4+ + OCl- → NH2Cl + H2O (1) - Giai đoạn thứ hai: monochloramin phản ứng với phenol để hình thành n-aminophenol ở pH khoảng 12 ÷ 13, với sự có mặt của chất xúc tác: [Fe(CN)5NO]2- C6H5O- + NH2Cl + OH- -----------> OC6H4NCl + H2O (2) Sản phẩm của phản ứng (2) tiếp tục kết hợp với phân tử phenol thứ 2, tạo thành 4,4’-dihydroxyldiphenylamin và sau đó là phản ứng tạo thành hợp chất màu indophenol như sau: OC6H4NH + C6H5O- ------------------> OC6H4=N-C6H4O- (3) OC6H4=N-C6H4O- <----------------> OC6H4-N-C6H4OH + Cl- (4) Màu xanh indophenol Đối với thuốc thử là thymol, ở giai đoạn 2 monochloramin sẽ phản ứng với thymol để hình thành màu xanh của một cặp ion gồm ion màu xanh indothymol và ion tetrabutylamoni theo các phản ứng: [Fe(CN)5NO]2- CH3C6H3CH(CH3)2OH + NH2Cl + OH- ----> O=C6H2CH(CH3)2=N-Cl + H2O O=C6H2CH(CH3)2=N-Cl + CH3C6H3CH(CH3)2OH <----------------> O=C6H3CH(CH3)2=N-CH3C6H3CH(CH3)2OH (Xanh) Chính vì vậy mà nếu cho phản ứng tạo monocloramin xảy ra trước ở pH 10 sau đó cho tiếp phản ứng tạo màu indophenol ở pH 12 - 13 thì tốc độ của phản ứng tạo màu hoàn toàn sẽ rất nhanh. Do đó quy trình phân tích nhanh amoni tổng quát sẽ được thực hiện như sau: Lấy 20 ml mẫu chuẩn hay mẫu phân tích cho vào bình định mức dung tích 25 ml. Thêm dung dịch natri nitropruxit, thêm tiếp dung dịch đệm (sử dụng đệm để dung dịch có pH xung quanh 10), sau đó thêm chất oxy hóa và lắc đều sau mỗi lần thêm rồi để yên 1 phút. Tiếp theo, thêm dung dịch thymol, lắc đều, để yên 3 phút và đo độ hấp thụ quang ở bước sóng 693 nm. Cách xây dựng đường chuẩn Chuẩn bị dãy các bình định mức dung tích 25 ml và đánh số thứ tự các bình từ 1÷ 9, cho vào từng bình các dung dịch thuốc thử (lắc đều bình sau mỗi lần cho), thứ tự như sau:
Cách tính kết quả Các mẫu phân tích được tiến hành với thể tích mẫu là 10 ml (như đối với mẫu chuẩn). Trình tự các bước phân tích được tiến hành như đối với mẫu chuẩn. Kết quả được tính theo hai cách là đo trên máy và so sánh trên thang màu chuẩn để so sánh và đánh giá. - Kết quả đo trên máy được làm như sau: Sau khi đo độ hấp thụ quang trên máy đo màu ta được giá trị Abs. Sử dụng phần mềm chuyên dụng để rút ra phương trình đường chuẩn biểu diễn sự phụ thuộc độ hấp thụ quang vào nồng độ amoni trong mẫu. Phương trình đường chuẩn có dạng: y = ax + b → x = ( y – b)/a Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Nghiên cứu lựa chọn điều kiện phân tích nhanh amoni theo phương pháp Nessler Chia sẻ với bạn bè của bạn:
Page 4Từ kết quả trên có thể thấy nồng độ thuốc thử tối thiểu cần cho phản ứng là 1,0 ml với nồng độ amoni trong mẫu thí nghiệm tương ứng là 0,5 mg/L. Trong trường hợp nồng độ tối đa mà phép đo cho kết quả tin cậy là 1,0 mg/L thì nồng độ thuốc thử tương ứng là 2,0 ml dung dịch 3%. Lượng dư thuốc thử hầu như không ảnh hưởng đến độ hấp thụ quang của dung dịch mẫu; tuy nhiên để tiết kiệm, trong thực tế không nên dùng quá dư thuốc thử trong khi phân tích. 3.2.6. Ảnh hưởng của một số ion cản trở Trong các đối tượng nguồn nước nghiên cứu, các ion thường có mặt chủ yếu được liệt kê trên bảng 11. Cách tiến hành khảo sát được thực hiện theo quy trình tổng quát và trong các điều kiện tối ưu đã được xác định từ mục 3.2.1. đến 3.2.5. Bảng 11 . Nồng độ tối thiểu gây ảnh hưởng của các ion trong nước
3.2.7. Quy trình xác định nhanh nồng độ ion amoni trong các mẫu nước sinh hoạt Để đưa phép đo chuẩn phenat thành phương pháp phân tích nhanh phù hợp với phân tích nhiều mẫu trong một thời gian ngắn quy trình tổng quát đưa ra ban đầu được hiệu chỉnh lại như sau: Dung dịch đệm được trộn với dung dịch oxi hóa theo tỷ lệ 2 phần thể tích dung dịch đệm với 1 phần thể tích dung dịch oxi hóa và quy trình được thực hiện như sau: - Quy trình phân tích nhanh amoni Lấy 5 ml mẫu phân tích (có nồng độ amoni không vượt quá 1,00 mg/L) cho vào ống nghiệm dung tích 25 ml. Thêm 0,5 ml dung dịch nitroprusit 0,2 %, 1ml dung dịch đệm có pH = 10 và 1 ml dung dịch NaOCl (0,1 % Clo hoạt động), lắc đều sau mỗi lần cho thuốc thử rồi để yên trong vòng 1 phút. Thêm 1 giọt dung dịch thuốc thử thymol nồng độ 1,5 % NaOH trong kiềm, lắc đều, để yên 3 phút rồi đem đo độ hấp thụ quang ở 693 nm. 3.2.8. Lập đường chuẩn và thang màu chuẩn cho phương pháp phân tích nhanh amoni Đường chuẩn được xây dựng như sau: Chuẩn bị 11 ống nghiệm sạch, khô dung tích 10 ml. Lần lượt cho vào các ống nghiệm 5 ml dung dịch amoni có nồng độ tương ứng từ 0,0 mg/L, 0,1 mg/L...đến 1,0 mg/L. Thêm 1 giọt dung dịch nitroprusit, 3 giọt dung dịch hỗn hợp đệm-oxi hóa, lắc đều, để yên 1 phút. Thêm tiếp 1 giọt thuốc thử thymol trong kiềm, để yên 3 phút sau đó đem đo độ hấp thụ quang ở bước sóng có độ hấp thụ quang cực đại 690 nm so với mẫu trắng. Làm như vậy tối thiểu 3 lần. Số liệu của đường chuẩn được lấy từ giá trị trung bình của các lần đo. Hình 13. Đường chuẩn phân tích nhanh amoni Tất cả các mẫu phân tích sau này sẽ được tiến hành như quy trình trên làm với mẫu chuẩn. Kết quả được tính toán theo phương trình đường chuẩn y = 1,289x – 0,013 trong đó y là độ hấp thụ quang (ABS) và x là nồng độ amoni trong mẫu. 3.3. Sử dụng phương pháp phân tích nhanh khảo sát khả năng nhiễm amoni tại một số khu vực của thành phố Hà nội 3.3.1. Lập kế hoạch khảo sát Theo các tài liệu đã công bố, tại các khu vực nam và tây – nam thành phố, nơi trên các tầng nước ngầm tại nhiều nơi có tồn tại một tầng than bùn. Đây là một trong những yếu tố rất quan trọng gây nên sự nhiễm amoni trong các tầng nước ngầm. Với công nghệ xử lý nước ngầm hiện nay ở Hà nội, chỉ một phần nhỏ amoni được xử lý, còn phần lớn vẫn nằm lại trong nước sau xử lý dùng để cấp cho nhu cầu sinh hoạt và ăn uống của người dân. Vì lý do này mà đề tài luận văn của chúng tôi sẽ khảo sát nồng độ amoni trong các nguồn nước cấp và một số nguồn nước khác để so sánh và có những nhận xét sát thực hơn. Do thời gian làm luận văn có hạn nên khu vực lấy mẫu chúng tối xác định là dải đất phía tây nam Hà nội bao gồm ba quận từ Cầu giấy sang Thanh xuân và tới Hoàng mai. Mỗi quận sẽ lấy 15 mẫu trên 15 đường phố rải rác trên khắp địa bàn các quận. Tại quận Cầu giấy, các điểm lấy mẫu được tiến hành trên các phố: Xuân Thủy, Cầu Giấy, Nguyễn Phong Sắc, Phạm Hùng, Phạm Văn Đồng, Trần Quốc Hoàn, Tô Hiệu, Trung Kính, Yên Hòa, Hoàng Quốc Việt, Nghĩa Tân, Trần Đăng Ninh. Tại quận Thanh Xuân, các mẫu được lấy tại các điểm khác nhau trên các phố: Làng Triều Khúc, Nguyễn Trãi, Hạ Đình, Khương Đình, Khương Trung, Nguyễn Tuân, Giáp Nhất, Vũ Trọng Phụng, Hoàng Văn Thái, Nguyễn Ngọc Nại, Cự Lộc, Ngõ Chính Kinh, Phan Đình Giót, Quan Nhân. Tại quận Hoàng Mai mẫu được lấy tại các địa điểm khác nhau trên các phố: Ngõ Hoàng Mai 6, Ngõ Hoàng Mai 24, Nguyễn Đức Cảnh, Định Công 1, Định Công 2, Kim Đồng, Mai Động, Kim Giang, Nguyên An Ninh, Giáp Nhị, Giáp Bát, Tương Mai, Tân Mai. Kế hoạch lấy mẫu được xác định mỗi ngày lấy 15 mẫu chia đều trên ba quận (mỗi quận 5 mẫu) và amoni được phân tích ngay trong ngày bằng phương pháp phân tích nhanh. 3.3.2. Cách lấy mẫu, bảo quản, xử lý mẫu Bình đựng mẫu được sử dụng là các chai PE hoặc PP dung tích 0,5 lít, có nắp đậy kín khí. Trước khi dùng làm bình đựng mẫu, các chai được rửa sạch và tráng lại bằng nước không có amoni ba lần rồi được đậy kín nắp và vận chuyển đến địa điểm lấy mẫu. Cách lấy mẫu được thực hiện như sau: khi đến địa điểm lấy mẫu, mở nắp chai, tráng chai ba lần bằng chính nước sẽ lấy làm mẫu phân tích; sau đó điền đầy nước mẫu và ngay lập tức đậy kín nắp lại. Mẫu được phân tích ngay tại hiện trường hoặc bảo quản trong thời gian di chuyển không quá 4 giờ trong thùng hai lớp có nước đá để bảo đảm luôn ở khoảng 40C để phân tích trong phòng thí nghiệm. 3.3.3. Phân tích mẫu Các mẫu mang về phòng thí nghiệm được phân tích ngay, đại đa số không cần xử lý. Một số ít mẫu nếu bị đục sẽ được lọc qua giấy lọc băng xanh để loại hoàn toàn chất rắn lơ lửng. Trong trường hợp các mẫu có nồng độ amoni vượt quá thang chuẩn của các phép đo sẽ được pha loãng bằng nước cất không có amoni. Các mẫu có nồng độ amoni dưới 1,00 mg/L sẽ được phân tích bằng phương pháp phân tích nhanh với thuốc thử Phenat. Các mẫu có nồng độ amoni từ 1,00 mg/L đến 10,00 mg/L sẽ được phân tích bằng phương phương pháp phân tích nhanh với thuốc thử Nessler. Mỗi mẫu được phân tích song song 3 lần theo quy trình phân tích nhanh đã trình bày ở trên. Độ hấp thụ quang đo trên máy Spectrophotometer JASCO V-530 sử dụng các đường chuẩn đã được lập từ trước hoặc so trên thang màu chuẩn để xác định nồng độ. 3.3.4. Kết quả phân tích amoni trong mẫu nước tại các quận Kết quả phân tích mẫu tại quận Cầu giấy, Thanh xuân và Hoàng mai được thể hiện trên các bảng từ bảng 12 đến bảng 14. Bảng 12. Kết quả phân tích amoni trong nước tại quận Cầu Giấy
Bảng 13. Kết quả phân tích amoni trong nước tại quận Thanh Xuân
Bảng 14. Kết quả phân tích amoni trong nước tại quận Hoàng Mai
3.4. Đánh giá mức độ ô nhiễm amoni tại ba quận Cầu Giấy, Thanh Xuân và Hoàng Mai Từ các kết quả trên các bảng 12 đến 14 để dễ nhận thấy hơn mức độ ô nhiễm amoni của các quận ta có thể thể hiện chúng trên các biểu đồ. Hình 14. Nồng độ amoni trong các mẫu ở quận Cầu giấy Hình 15. Nồng độ amoni trong các mẫu ở quận Thanh xuân Hình 16. Nồng độ amoni trong các mẫu ở quận Hoàng mai Từ các biểu đồ trên hình 14, 15 và 16 ta có thể thấy tại quận Cầu Giấy chỉ có 3 trên 15 mẫu có nồng độ amoni cao hơn 1,5 mg/L (nồng độ cho phép đối với nước ăn uống). Trong khi đó ở quận Thanh Xuân và quận Hoàng Mai có tới 8 trên 15 mẫu có nồng độ amoni cao hơn 1,5 mg/L. Với hiện trạng như thế có thể thấy mức độ ô nhiễm amoni có dấu hiệu đáng lo ngại, nhất là tại quận Thanh Xuân và Hoàng Mai có những mẫu nồng độ amoni cao tới trên 13 mg/L và 7 mg/L. Để so sánh mức độ ô nhiễm giữa các quận, chúng ta có thể sử dụng phương pháp so sánh theo tỷ lệ các mẫu bị nhiễm trên mức cho phép. Theo cách này thì mức độ ô nhiễm của quận Thanh Xuân và Hoàng Mai là ngang nhau và quận Cầu Giấy là ít ô nhiễm hơn. Với cách này chưa nói lên được mức độ trầm trọng về chất lượng nước đối với ion amoni hay mức độ nguy hiểm của sự ô nhiễm. Một cách so sánh khác là ta có thể so sánh nồng độ trung bình của tất cả các mẫu tại từng quận với nhau. Nếu theo cách này thì ta thấy nồng độ amoni trung bình trong các mẫu của quận Cầu Giấy là 0,999 mg/L, quận Thanh Xuân là 3,225 mg/L và quận Hoàng Mai là 2,652 mg/L; có nghĩa là quận Thanh Xuân ô nhiễm hơn quận Hoàng Mai và quận Cầu Giấy là ít ô nhiễm nhất. Cách so sánh này cũng có sự bất cập của nó nếu trong số tập hợp 15 mẫu chỉ có 1 hoặc 2 mẫu có nồng độ rất cao so với tập hợp khác có tới 14 thậm chí đến 15 mẫu có nồng độ cao hơn giới hạn cho phép nhưng giá trị trung bình vẫn thấp hơn tập hợp ban đầu. Trong những năm gần đây một cách so sánh có tính thuyết phục hơn và được nhiều nước trên thế giới áp dụng trong việc đánh giá mức độ ô nhiễm môi trường giữa các vùng khác nhau. Đó là phương pháp sử dụng trị số nồng độ tương đối trung bình tổng cộng. Trị số nồng độ tương đối trung bình được tính toán theo biểu thức:
Trong đó Ci/Co = q là trị số nồng độ tương đối của chất ô nhiễm với Ci là nồng độ đo được tại điểm i và Co là nồng độ giới hạn cho phép của chất ô nhiễm trong môi trường. Nếu q > 1 là mẫu bị ô nhiễm; q = 1 là ở ngưỡng báo động có nguy cơ cao bị ô nhiễm và q < 1 là chưa bị ô nhiễm. Nếu xét trên cả một vùng đối với một chất ô nhiễm cho một tập hợp mẫu lấy ngẫu nhiên, ta có thể sử dụng trị số nồng độ tương đối trung bình KẾT LUẬN Qua quá trình nghiên cứu lựa chọn phương pháp phân tích nhanh amoni bằng phương pháp trắc quang chúng tôi có những kết quả như sau: - Đã tìm ra được phương pháp phân tích nhanh ion amoni trong nước sinh hoạt theo phương pháp Nessler và phương pháp Phenate với các ưu điểm như thời gian xuất hiện màu nhanh (4 phút đối với phương pháp Phenate và 10 phút đối với phương pháp Nessler), thể tích mẫu phân tích là tối thiểu (10 ml đối với phương pháp Nessler và 5 ml đối với phương pháp Phenate), độ bền màu cao và cho kết quả khá chính xác. - Sử dụng cả hai phương pháp nhân tích nhanh có thể phân tích khá chính xác nồng độ amoni trong nước sinh hoạt có nồng độ từ 0,1 mg/L đến 10,0 mg/L - Đã sử dụng các phương pháp phân tích nhanh phân tích nồng độ amoni có mặt trong nước sinh hoạt ở ba quận phía tây và nam Hà Nội là quận Cầu Giấy, quận Thanh Xuân và quận Hoàng Mai. - Đã tiến hành đánh giá mức độ ô nhiễm amoni trong nước sinh hoạt ở ba quận của Hà Nội nói trên và sử dụng các phương pháp khác nhau để xác định mức độ ô nhiễm amoni và so sánh mức độ ô nhiễm giữa các quận khảo sát. - Kết quả khảo sát cho thấy quận Thanh Xuân có mức độ ô nhiễm cao nhất với nồng độ trung bình trong các mẫu phân tích là 3,225 mg/L và trị số nồng độ tương đối trung bình là 2,150 sau đó đến quận Hoàng Mai với các giá trị tương ứng là 2,652 mg/L và 1,788. Quận Cầu Giấy có thể nói là chưa bị ô nhiễm bởi amoni vì nồng độ trung bình của amoni trong các mẫu là 0,999 mg/L (nhỏ hơn 1,5 mg/L) và trị số nồng độ tương đối trung bình là 0,666 (nhỏ hơn 1). TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu Tiếng Việt 1. Lê Văn Cát (2002), Nghiên cứu phát triển công nghệ xử lý nước thải giàu hợp chất nitơ,photpho thích hợp với điều kiện Việt Nam, Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học thuộc chương trình nhà nước bảo vệ môi trường, Hà Nội, trang 25-40. 2. Nguyễn Ngọc Dung , Xử lý nước cấp, Nhà xuất bản xây dựng(2005), trang 56-70. 3. Quang Khải, Cảnh báo “cái chết” của một nhà máy nước, Việt báo ngày 25/9/2007. 4. Đồng Kim Loan, Trần Hồng Côn, Phạm Ngọc Hồ (2007), Quan trắc và phân tích môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà nội. 5. Hoàng Nhâm. Hóa học vô cơ, tập 2. Nhà Xuất bản Giáo dục, 2002. 6. Lê Thị Thanh Tâm (2003), Nghiên cứu sự biến đổi các hợp chất nitơ trong đới thông khí khu vực Hà Nội, Luận án tiến sĩ địa chất, Trường Đại học Mỏ Hà Nội. 7. Trần Kông Tấu, Ngô Văn Phụ, Hoàng Văn Huây và nnk (1986), Thổ nhưỡng học (tập 1 và 2), NXB Đại học và trung học chuyên nghiệp, Hà Nội. 8. Quốc Thanh, Ô nhiễm sông Đồng nai: nước đang mất dần tính an toàn, Việt báo ngày 23.7.2006. 9. Nguyễn Thị Hồng Thịnh (2008), Nghiên cứu nguồn phát sinh ô nhiễm amoni trong nước ngầm vùng Thanh Trì- Hà Nội bằng kỹ thuật đồng vị, Luận án Thạc sĩ Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên. 10. QCVN 01: 2009/BYT, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ăn uống, Hà nội, 2009. 11. QCVN 02: 2009/BYT, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước sinh hoạt, Hà nội, 2009. 12. Hiện trạng môi trường thành phố Hà Nội-sở khoa học công nghệ và môi trường thành phố Hà nội-9/2002. 13. Báo cáo dự án pilot Pháp Vân “Xử lý amoni trong nước ngầm quy mô pilot tại nhà máy nước Pháp Vân”, (Cơ quan chủ quản:Sở giao thông công chính Hà Nội, công ty kinh doanh nước sạch Hà nội, Cơ quan thực thi: Trung tâm nghiên cứu công nghệ môi trường và phát triển bền vững, trường Đại học Khoa học tự nhiên Hà nội), Hà nội, 10/2005, trang 10-38. Tài liệu Tiếng Anh 14. Abbas Afkhami and Rasoul Norooz-Asl. Micelle-Mediated Extraction and Spectrophotometric Determination of Ammonia in Water Samples utilizing Indophenol Dye Formation. J. Braz. Chem. Soc., Vol. 19, No. 8 (2008), p. 1546-1552. 15. APHA, AWWA, WEF, Standard Methods for the examination of water and wastewater (18th ed. 1992, 19th ed. 1995 and 20th ed. 2000), APHA Washington DC 20005. 16. Basil D. Washo, Albert Paladini and David Rich, Rapid Field Test for Nitrate and Ammonia in Reclaimed Water, Courtesy of Everglades Research & Education Center Originally published Oct. 2006. 17. C.J. Patton et al. (1997), Spectrophotometric and Kinetics Investigation of the Berthelot Reaction for the Determination of Ammonia", The Analyst, vol. 122, pp. 464-469, Mar. 1997. 18. Chao-Hsiang Wu, Louis Scampavia, Jaromir Ruzicka and Bruce Zamost (2001), Micro sequential injection: fermentation monitoring of ammonia, glycerol, glucose, and free iron using the novel Lab-on-valve system, The Analyst, vol. 126, 291-297, 2001. 19. Keiichi Fukushi, Hideyuki Ito, kenichi Kimura, Kuriko Yokota, Keiitsu Saito, Kenji Chayama, Sahori Takeda, Shin-ichi Wakida (2006). Determination of ammonium in river and sewage samples by capillary zone electrophoresis with direct UV detection. Journal of Chromatography A, Volume 1106, Issues 1-2 (2006), p. 61-66. 20. Keith C. Brown and John F. Corbett (1997), The role of meta difunctional benzene dirivatives in oxidative hair dyeing. II. Reactions with p-aminophenols. J. Soc. Cosmet. Chem., 30, 191-211, 1997. 21. King Tong Lau, Steve Edwards and Dermot Diamond, Solid-state ammonia sensor based on Berthelot’s reaction, Sensors and Actuators B: Chemical, Volume 98, Issue 1, 1 March 2004, Pages 12-17. 22. P.L. Searle (1984), The Berthelot or Indophenol Reaction and Its Use in the Analytical Chemistry of Nitrogen, The Analyst, vol. 109, pp. 549-568, May 1984. 23. L. N. Demutskaya and I. E. Kalinichenko, Interaction of aliphatic polyamines with Nessler reagent, Journal of Analytical Chemistry, 2006, Vol. 61, No 11, pp. 1063-1066. 24. L. N. Demutskaya and I. E. Kalinichenko, Photometric determination of ammonium nitrogen with the nessler reagent in drinking water after its chlorination, Journal of Water Chemistry and Technology, 2010, Vol. 32, No. 2, pp. 90-94. 25. Martina Trinkel, Wolfgang Trettnak, Franz Reininger, Roman Benes, Paul O'Leary and Otto S. Wolfbeis, Study of the performance of an optochemical sensor for ammonia, Analytica Chimica Acta, Volume 320, Issues 2-3, 29 February 1996, Pages 235-243. 26. Minoru OKUMURA, Kaoru FUJINAGA, Yasushi SEIKE, Sachiko HONDA, A simple and rapid visual method for the determination of ammonia nitrogen in environmental water using Thymol, Fresenius J. Anal. Chem (1999) 365: 467-469. 27. Minoru OKUMURA, Sachiko HONDA, Kaoru FUJINAGA and Yasushi SEIKE, A Simple and Rapid in situ Preconcentration Method for Trace Ammonia Nitrogen in Environmental Water Samples Using a Solid-Phase Extraction Followed by Spectrophotometric Determination, Analytical Sciences, Vol. 21, No. 9 (2005), p.1137-1140. 28. Joon-Shik Park, Kwang-Bum Park, Kyu-Shik Shin, Hyo-Derk Park, Sang-Joon Park, Young-Hwa Song, Min-Chan Kim, Jeong-Rim Kim, Design and fabrication of integrated micro ammonia analysis system (IMAAS) with micro reactor and in-plane type optical detector using Berthelot reaction and micro fluidic devices, The 13th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, 2005. Digest of Technical Papers. TRANSDUCER Sapos; 05.Volume 2, Issue , 5-9 June 2005 Page(s): 1828 – 1831. 29. Roger N. Reeve. Introduction to environmental analysis. John Willey & Sons, LTD. 2002. 30. Solórzano L., (1969), Determination of Ammonia in Natural Waters by the Phenolhypochlorite Method, Limnol. Oceanogr. 14, 799-801. 31. United States Patent 7033839. Quick acting toxic ammonia test for aqueous samples. Primary Examiner: Warden, Jill ; Assistant Examiner: Cross, Latoya; Attorney, Agent or Firm: Barnes & Thornburg. 32. Volkita, Belkin, Abelivovich and soares (1996), “Biological denitrication of Drinking water using newspaper”, water reseach, Vol 30. pp 930- 945. 33. W. Sellien, R. Czolk, J. Reichert and H.J. Ache, Development of an optical-chemical sensor for the detection of ammonium ions, Analytica Chimica Acta, Volume 269, Issue 1, 2 November 1992, Pages 83-88. 34 . WHO, Envỉonmental Health Criteria 54. Ammonia, Geneva, 1986. References and further reading may be available for this article. To view references and further reading you must purchase this article.
References and further reading may be available for this article. To view references and further reading you must purchase this article.
Luận văn Thạc sỹ khoa học Nguyễn Văn Khoa Chia sẻ với bạn bè của bạn:
|