TỔNG QUAN
Giới thiệu chung
1.1.1 Tài nguyên n ướ c và hi ệ n tr ạ ng [5]
Nước là nguồn tài nguyên thiết yếu cho sự sống trên trái đất, không thể thiếu cho tất cả sinh vật Tài nguyên nước cung cấp nguồn nước mà con người sử dụng cho nhiều mục đích, bao gồm nông nghiệp, công nghiệp, dân dụng, giải trí và bảo vệ môi trường Hầu hết các hoạt động này đều phụ thuộc vào nước ngọt.
Nước chiếm 71% diện tích bề mặt trái đất, nhưng chỉ có 3% là nước ngọt có thể sử dụng, trong đó khoảng 75% không thể khai thác do nằm sâu trong lòng đất, bị đóng băng, hoặc ở dạng hơi Chỉ còn 0,5% nước ngọt hiện diện trong ao, hồ, sông suối mà con người có thể sử dụng Mặc dù chiếm tỷ lệ rất nhỏ, nguồn nước ngọt mang lại giá trị to lớn, điển hình như ngành nuôi trồng thủy hải sản nước ngọt đã đóng góp 17 triệu tấn cá vào năm qua.
Từ năm 1999 đến nay, nuôi trồng thủy hải sản nước ngọt đã tăng hơn 2 lần, hiện chiếm 60% sản lượng nuôi trồng thủy sản toàn cầu Tuy nhiên, nguồn tài nguyên nước đang bị cạn kiệt do nhiều nguyên nhân, trong đó hoạt động của con người là một trong những lý do quan trọng nhất.
Mức độ tiêu thụ nước của con người phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhu cầu, mức sống, văn hóa, công nghệ, tài chính và khả năng tự nhiên Hiện nay, tổng mức tiêu thụ nước toàn cầu đạt khoảng 35.000 km³/năm, trong đó 8% dùng cho sinh hoạt, 22% cho công nghiệp và 70% cho nông nghiệp Nhu cầu nước tăng theo sự gia tăng dân số và mức sống, mặc dù mỗi người chỉ cần 1-2 lít nước/ngày, nhưng trung bình cần 250 lít cho sinh hoạt, 1500 lít cho công nghiệp và 2000 lít cho nông nghiệp Ví dụ, để sản xuất 1 tấn giấy cần tới 250 tấn nước, và 1 tấn đạm cần 600 tấn nước Sự gia tăng mức sống cũng làm tăng giá trị các cảnh quan nước, dẫn đến giá thành nước cấp cho tiêu thụ cao hơn và lượng nước thải tăng lên.
Theo thống kê của Viện Nước quốc tế (SIWI) tại Tuần lễ Nước thế giới khai mạc ở Stockholm vào ngày 5/9, mỗi ngày có khoảng 2 triệu tấn chất thải sinh hoạt được thải ra sông hồ và biển, dẫn đến ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước sử dụng trong sinh hoạt của con người.
Việt Nam đang đối mặt với thách thức nghiêm trọng về ô nhiễm môi trường nước, với chất lượng nước suy giảm đáng kể Nhiều chỉ tiêu như BOD, COD, NH4, N, P vượt quá tiêu chuẩn cho phép nhiều lần.
Nước đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc sinh quyển, điều hòa khí hậu, đất đai và sinh vật Nó không chỉ đáp ứng nhu cầu hàng ngày của con người mà còn phục vụ cho nông nghiệp, sản xuất công nghiệp, sản xuất điện năng và tạo ra cảnh quan thiên nhiên đẹp mắt.
Nước đóng vai trò thiết yếu trong sự sống của con người và các sinh vật khác, cần thiết cho sự tăng trưởng và duy trì sự sống Nó liên quan đến hầu hết các quá trình sinh hoạt, bao gồm tiêu hóa và hấp thu thức ăn, giúp cơ thể sử dụng hiệu quả lương thực và thực phẩm.
Theo nghiên cứu của Viện Dinh Dưỡng Quốc Gia, nước chiếm khoảng 80% thành phần mô não, và thiếu nước có thể dẫn đến suy giảm tinh thần, khả năng tập trung kém, thậm chí mất trí nhớ Thiếu nước còn ảnh hưởng đến quá trình chuyển hóa protein và enzym, gây khó khăn trong việc cung cấp chất dinh dưỡng cho cơ thể Ngoài ra, nước giúp thanh lọc và giải phóng độc tố xâm nhập qua đường tiêu hóa và hô hấp Nước cũng là thành phần chính của sụn và chất hoạt dịch, giúp giảm va chạm và nguy cơ viêm khớp khi được cung cấp đầy đủ Uống đủ nước hỗ trợ hệ thống bài tiết hoạt động hiệu quả, ngăn ngừa sự tồn đọng độc tố gây bệnh ung thư và hình thành sỏi trong đường tiết niệu Hơn nữa, nước là biện pháp giảm cân hiệu quả, giúp tạo cảm giác no và kích thích quá trình chuyển hóa, đốt cháy calo từ thực phẩm.
Nước không chỉ thiết yếu cho con người mà còn đóng vai trò quan trọng trong tự nhiên, là môi trường sống của thủy sinh vật và ảnh hưởng đến khí hậu, địa hình Nó cũng là một tuyến giao thông quan trọng, góp phần tạo nên cảnh quan và văn hóa đặc trưng, đồng thời là nơi lý tưởng chứa đựng chất thải.
1.1.3 Ô nhi ễ m môi tr ườ ng n ướ c [5] Ô nhiễm môi trường nước là sự có mặt của một hay nhiều chất lạ trong môi trường nước, làm biến đổi chất lượng của nước, gây tác hại đối với sức khỏe của con người khi sử dụng nước trong sinh hoạt, trong công nghiệp, nông nghiệp, trong chăn nuôi, trong thể dục, thể thao, vui chơi, giải trí,…
Ô nhiễm nước xảy ra khi các chất độc hại, vi khuẩn, virus và ký sinh trùng từ các nguồn thải như chất thải công nghiệp, rác thải bệnh viện, nước thải sinh hoạt và hóa chất, thuốc trừ sâu xâm nhập vào ao, hồ, sông, suối hoặc thấm xuống đất mà không được xử lý, vượt quá khả năng tự làm sạch của nước.
1.1.4 Nguyên nhân gây ô nhi ễ m môi tr ườ ng n ướ c [5]
Sự ô nhiễm nước có thể do nguyên nhân tự nhiên hoặc nhân tạo
Các quá trình tự nhiên như núi lửa, động đất và phong hóa đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp các vật chất dễ hòa tan Gió và nước sẽ hòa tan, rửa trôi và xói mòn các chất này, đưa chúng vào các thủy vực.
Khi sinh vật và cây cối chết đi, chúng sẽ được vi sinh vật phân hủy thành các chất hữu cơ Một phần chất này ngấm vào lòng đất, gây ô nhiễm nguồn nước ngầm, trong khi phần còn lại sẽ hòa tan theo dòng nước và chảy vào ao, hồ, sông, suối.
- Tương tác dòng nước bờ đáy gây xói lở, tái tạo liên tục các vùng bờ đáy, cung cấp thêm phù sa cho nước
Sinh vật đóng vai trò quan trọng trong quá trình sinh địa hóa và vòng đời của chúng, ảnh hưởng đến việc cung cấp, biến đổi hoặc loại bỏ các chất, từ đó thay đổi thành phần và tính chất của nước Các quá trình như phản ứng hóa học tạo ra chất mới hoặc lắng đọng trầm tích xảy ra tùy thuộc vào đặc tính thủy vực và thành phần hóa học của nước, làm biến đổi tính chất ban đầu của nó.
- Thiên tai gây nên những thảm họa cho thế giới tự nhiên nói chung và sự sống nói riêng, đồng thời cũng gây ô nhiễm nghiêm trọng môi trường nước
Nitơ và sự chuyển hóa nitơ trong nước thải
1.2.1 Các d ạ ng t ồ n t ạ i c ủ a nit ơ trong n ướ c th ả i [4]
Trong môi trường nước tự nhiên không ô nhiễm, nồng độ amoniac, hợp chất hữu cơ chứa nitơ, nitơ khí, nitrate và nitrite là rất thấp Tuy nhiên, chúng đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nitơ cho đa số sinh vật sống trong đất và nước Vi sinh vật sử dụng nguồn nitơ này để tổng hợp acid amin, protein và tế bào, đồng thời chuyển hóa năng lượng Trong quá trình này, hợp chất nitơ sẽ thay đổi hóa trị và chuyển hóa thành các hợp chất hóa học khác.
Trong nước thải, nitơ tồn tại dưới ba dạng chính: hợp chất hữu cơ chứa nitơ, amoni và các hợp chất oxy hóa như nitrite và nitrate Những hợp chất này là nguồn dinh dưỡng quan trọng, liên tục chuyển đổi qua các quá trình sinh hóa tự nhiên như amon hóa, nitrate hóa và nitrite hóa, nhờ vào sự tham gia của vi sinh vật trong môi trường nước Amoni (NH4+) và amoniac (NH3) thường có mặt với nồng độ thấp trong nước mặt (dưới 0,05 mg/l), nhưng lại cao hơn nhiều trong nước ngầm Đặc biệt, nồng độ amoni trong nước thải đô thị và công nghiệp chế biến thực phẩm có thể đạt tới 100 mg/l, vượt qua tiêu chuẩn môi trường.
Theo quy định của TCVN 5942-1995, nồng độ tối đa cho phép của amoni hoặc amoniac trong nước sinh hoạt là 0,05mg/l (tính theo N) và 1mg/l cho các mục đích khác Nitrate (NO3-) là sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy các chất hữu cơ chứa nitơ từ chất thải của con người và động vật Trong nước tự nhiên, nồng độ nitrate thường dưới 5mg/l Tuy nhiên, do tác động của chất thải công nghiệp và nước chảy tràn từ các khu nông nghiệp, nồng độ nitrate có thể gia tăng, ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng nước sinh hoạt và nuôi trồng thủy sản.
Năm 1995, quy định nồng độ tối đa của nitrate trong nguồn nước mặt cho mục đích sinh hoạt là 10mg/l (tính theo N) và 15mg/l cho các mục đích sử dụng khác.
1.2.2 Quá trình chuy ể n hóa c ủ a nit ơ trong n ướ c th ả i [4], [10]
Hình 1.1 mô tả các quá trình chuyển hóa của các dạng hợp chất chứa nitơ có trong nước thải
Nitơ hòa tan trong nước chủ yếu xuất phát từ sự khuếch tán từ không khí và quá trình khử nitrate Các hợp chất vô cơ hòa tan hình thành qua phân hủy hợp chất hữu cơ, trong đó nitơ lắng đọng thành albumine nhờ vi sinh vật Đạm albumine chuyển hóa thành amoniac (NH3), sau đó hòa tan trong nước tạo thành NH4 + Tiếp theo, NH3 và NH4 + chuyển đổi thành nitrite (NO2) và nitrate (NO3 -) nhờ hoạt động của vi khuẩn nitrite và nitrate hóa Thực vật có khả năng hấp thu nhiều dạng đạm, đặc biệt là NH4 +.
NO3 - là tốt nhất Một số loài vi khuẩn và tảo có khả năng sử dụng nitơ phân tử nhờ quá trình cố định nitơ
Đạm NO3 chủ yếu được vi sinh vật và thực vật hấp thụ để phục vụ cho quá trình sinh trưởng và phát triển, nhưng nếu quá trình này diễn ra quá mức, nó có thể làm giảm lượng oxy hòa tan trong nước, dẫn đến hiện tượng phú dưỡng.
Hình 1.1 Chu trình chuyển hóa nitơ trong nước Các quá trình có trong sơ đồ: ắ Quỏ trỡnh cố định nitơ:
Quá trình cố định nitơ diễn ra khi vi sinh vật khử nitơ thành NH3, đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển hóa nitơ vô cơ thành nitơ hữu cơ.
Trong môi trường thoáng khí, vi khuẩn Azotobacter thực hiện quá trình cố định nitơ khí quyển, phổ biến ở sông và hồ Ngược lại, trong điều kiện yếm khí, loài Clostridium đảm nhận vai trò cố định nitơ phân tử.
Các hợp chất hữu cơ chứa nitơ trong nước trải qua quá trình amon hóa mạnh mẽ cả trong điều kiện hiếu khí và yếm khí, chuyển đổi nitơ từ dạng hấp thụ sang muối amoni (NH4+) Trong môi trường yếm khí, các hợp chất này không bị oxy hóa hoàn toàn, dẫn đến sự tích lũy của NH3, CO2 và các hợp chất hữu cơ khác như axit hữu cơ, rượu và H2S, gây ra mùi khó chịu cho thủy vực.
Quá trình này gồm hai quá trình oxy hóa trung gian Các phương trình phản ứng của các quá trình nitrate và nitrite hóa diễn ra như sau:
Quá trình oxy hóa NH4+ thành nitrite (NO2-) do vi khuẩn Nitrosomonas thực hiện thường bị giới hạn bởi tốc độ phản ứng, dẫn đến sự hiếm hoi của nitrite trong nước Nitrate hóa xảy ra khi có mặt oxy, kể cả ở nồng độ thấp, trong khi trong môi trường yếm khí, quá trình này không diễn ra mà thay vào đó là quá trình phản nitrate Quá trình phản nitrate hóa tách oxy ra khỏi nitrite và nitrate nhờ vi khuẩn yếm khí, trong đó oxy được tái sử dụng để oxy hóa các hợp chất hữu cơ, còn khí N2 được tách ra và thải vào khí quyển.
1.2.3.1 Đối với sức khỏe con người
Sự có mặt của Nitơ trong nước thải có thể gây ra nhiều ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái và sức khỏe cộng đồng
Xử lý nitơ trong nước thải kém có thể dẫn đến việc các hợp chất nitơ xâm nhập vào chuỗi thức ăn và nguồn nước, gây ra nhiều bệnh nguy hiểm cho sức khỏe con người.
- Nitrate tạo ra chứng thiếu Vitamin A và có thể kết hợp với các amin tạo thành các nitrosamin là nguyên nhân gây ung thư cho người cao tuổi
Nitrite có khả năng oxy hóa sắt II, điều này ngăn cản quá trình hình thành hemoglobin trong máu Kết quả là, khả năng vận chuyển oxy trong máu bị giảm, dẫn đến tình trạng ngạt thở và nôn mửa Nếu nồng độ nitrite trong máu cao, nó có thể gây ra nguy cơ tử vong.
- Nitrate làm giảm hoạt động của tuyến giáp
- Trẻ sơ sinh đặc biệt nhạy cảm với nitrate khi chúng xâm nhập vào sữa mẹ, hoặc có thể từ nước dùng để pha sữa
Ion nitrite nguy hiểm hơn ion nitrate đối với sức khỏe con người, vì khi tương tác với các amin hoặc alkylcacbonat trong cơ thể, chúng có thể tạo ra các hợp chất chứa nitơ gây ung thư.
1.2.3.2 Đối với quá trình xử lý nước
Sự hiện diện của nitơ trong hệ thống xử lý nước thải có thể làm giảm hiệu quả hoạt động và gây cản trở cho các quá trình xử lý Hơn nữa, nitơ có khả năng kết hợp với các hóa chất trong quá trình xử lý, tạo ra các hợp chất hữu cơ phức tạp, có thể gây độc hại cho con người.
Phân loại chợ và đặc trưng của nước thải chợ
Tại Việt Nam, Nghị định 02/2003/NĐ-CP ngày 14 tháng 1 năm 2003 về phát triển và quản lý chợ, đã xếp hạng chợ theo các loại sau đây:
Chợ hạng 1 là loại chợ có hơn 400 điểm kinh doanh, được xây dựng hiện đại và liên kết theo quy hoạch Chợ thường nằm ở các vị trí trung tâm kinh tế quan trọng của tỉnh hoặc thành phố, hoặc là các chợ đầu mối trong ngành hàng Chợ hạng 1 tổ chức họp thường xuyên và có mặt bằng phù hợp với quy mô hoạt động Ngoài ra, chợ còn cung cấp đầy đủ các dịch vụ như trông giữ xe, bốc xếp hàng hóa, kho bảo quản, vệ sinh an toàn thực phẩm và nhiều dịch vụ khác.
Chợ hạng 2 là loại chợ có hơn 200 điểm kinh doanh, được xây dựng kiên cố hoặc bán kiên cố theo quy hoạch Chợ được đặt tại trung tâm giao lưu kinh tế của khu vực và tổ chức họp thường xuyên hoặc không thường xuyên Diện tích chợ phù hợp với quy mô hoạt động và cung cấp các dịch vụ tối thiểu như trông giữ xe, bốc xếp hàng hóa, kho bảo quản hàng hóa và dịch vụ đo lường.
Chợ hạng 3 là những chợ có dưới 200 điểm kinh doanh, thường chưa được đầu tư xây dựng kiên cố hoặc bán kiên cố Chợ này chủ yếu phục vụ nhu cầu mua bán hàng hóa của người dân trong xã, phường và khu vực lân cận.
1.3.2 Đặ c tr ư ng c ủ a n ướ c th ả i ch ợ
Chợ là địa điểm diễn ra hoạt động mua bán và trao đổi hàng hóa, với sự đa dạng về sản phẩm như rau, thịt và hải sản tươi sống Tuy nhiên, nước thải từ các hoạt động này thường được thải vào hệ thống nước thải sinh hoạt và trực tiếp ra môi trường, gây ảnh hưởng đến chất lượng nguồn nước.
Nước thải từ chợ chứa nhiều thành phần, bao gồm chất hữu cơ, vô cơ và vi sinh vật, trong đó chất hữu cơ chiếm 50-60% tổng khối lượng Các chất hữu cơ này bao gồm cặn bã thực vật như rau, hoa, quả và giấy, cùng với chất thải bài tiết của người và động vật Hợp chất nitơ trong nước thải, như ammoniac, protein, peptid và acid amin, có hàm lượng biến đổi tùy thuộc vào loại sản phẩm, với mức cao nhất từ nước thải thủy hải sản Ngoài ra, nước thải chợ còn chứa vi sinh vật gây bệnh và trứng giun sán, tiềm ẩn nguy cơ cho sức khỏe cộng đồng.
Nếu không có biện pháp xử lý thích hợp trước khi thải ra nguồn tiếp nhận thì nước thải chợ là một nguồn gây ô nhiễm môi trường.
Hiện trạng các chợ trên địa bàn thành phố Đà Nẵng
Đà Nẵng, thành phố biển nổi tiếng, sở hữu nhiều chợ đa dạng với các mặt hàng thủy hải sản phong phú như cá, tôm, mực, cua và ghẹ Ngoài ra, thành phố còn có các chợ đầu mối nông sản và thủy sản, cung cấp nguồn thực phẩm tươi ngon cho toàn bộ thành phố và các khu vực lân cận.
Trên địa bàn thành phố hiện có hơn 100 chợ lớn nhỏ, đáp ứng nhu cầu thiết yếu hàng ngày của người dân nhưng cũng tạo ra một lượng nước thải đáng kể Hiện tại, các chợ không có hệ thống thu gom và xử lý nước thải, dẫn đến việc nước thải được xả thẳng vào cống chung và trực tiếp ra biển, ao hồ, sông suối Tình trạng này đã gây ra ô nhiễm môi trường nguồn tiếp nhận, là vấn đề cấp bách cần được giải quyết.
Các phương pháp xác định nitơ
1.5.1 Ph ươ ng pháp Kjeldahl [8] Đây là phương pháp rất thường sử dụng để phân tích tổng nitơ hữu cơ Sau khi phân hủy tổng N-Kjeldahl, sau đó mẫu sẽ được phân tích tiếp bằng phương pháp so màu tự động ắ Nguyờn t ắ c:
Tổng Nitơ Kjeldahl trong mẫu được chuyển đổi thành Ammonia (NH3) bằng muối kim loại như HgSO4 và CuSO4, dưới sự xúc tác của axit phân hủy H2SO4 Ammoniac sau đó được tách ra thông qua quá trình chưng cất và được giữ lại trong dung dịch axit sulfuric loãng Quy trình này nhằm mục đích loại bỏ ammoniac có trong mẫu trước khi tiến hành phân hủy mẫu.
Nồng độ ammonia sau quá trình chưng cất được xác định thông qua phương pháp so màu tự động với Indophenol màu xanh, sản phẩm hình thành từ phản ứng giữa ammonia, phenol kiềm và hydrochlorite.
Phương pháp này cho phép xác định N-hữu cơ có mặt trong nước uống, đất, nước bề mặt, nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp và bùn thải.
Phương pháp này chỉ xác định được N-hữu cơ mà không xác định được NO3 -,
Phân tích NO2 - yêu cầu một lượng mẫu lớn và sử dụng axit sulfuric mạnh, loại axit rất ăn mòn, gây nguy hiểm cho người thực hiện thí nghiệm.
1.5.2 Ph ươ ng pháp phân h ủ y Persulfate [7] Đây là phương pháp thay thế cho phương pháp Kjeldahl (Valderrama 1981) Đây còn là một phương pháp có tính thân thiện với môi trường hơn phương pháp Kjeldahl Nhìn tổng thể thì phương pháp phân hủy persulfate đòi hỏi ít chất độc hại hơn so với các phương pháp xác định N-hữu cơ khác (Ferree và Shannoon 2001) Việc sử dụng phương pháp này, yêu cầu phải phân tích nồng độ nitrate tạo thành đồng nghĩa với việc phải có phương pháp kèm theo để có thể tiến hành phân tích tiếp theo Hai phương pháp được sử dụng đó là, khử cadmium và sắc ký ion thích hợp cho nồng độ cao có trong nước thải (Clesceri et al 1998) Tuy nhiên, trong điều kiện phòng thí nghiệm chúng tôi chọn phương pháp đo quang là phương pháp phân tích tiếp theo ắ Nguyờn t ắ c:
Sau khi xử lý mẫu, mẫu được phân hủy bằng dung dịch kalipersulfate (K2S2O8) để chuyển đổi các dạng tồn tại của Nitơ như NO3 -, NO2 -, NH4 +, và N-hữu cơ thành dạng nitrate (NO3 -) Nitrate sau đó được chuyển thành nitrite khi chảy qua cột khử Cadmium Nitrite tạo thành sẽ được diazo hóa với sulfanilamide và kết hợp với N-(1-napthyl)-ethylenediamine để tạo ra hợp chất có màu Độ hấp thụ của hợp chất màu này được đo bằng thiết bị trắc quang phân tử UV-VIS tại bước sóng 543nm hoặc bước sóng đã khảo sát.
Phương trình chuyển Nitrate thành Nitrite:
NO3 - + H2O + EDTA 4- + Cd 0 → NO2 - + 2OH - + Cd(EDTA) 2- Phương trình nhận biết Nitrite:
- Số lượng mẫu sử dụng ít hơn phương pháp Kjeldahl, do đó giảm lượng nước thải ra môi trường
- Có thể xác định được N-tổng mà các phương pháp khác không làm được
- Phù hợp với điều kiện tại phòng thí nghiệm ắ Nh ượ c đ i ể m:
Sau một thời gian sử dụng, cột khử có thể bị nghẽn do các hợp chất lơ lửng trong nước và hiệu suất cột sẽ giảm theo thời gian.
Giới thiệu phương pháp trắc quang phân tử
Phương pháp trắc quang là một trong những phương pháp phân tích hóa lý phổ biến nhất, cho phép định lượng nhanh chóng với độ nhạy và độ chính xác cao Phương pháp này có khả năng xác định hầu hết các nguyên tố trong bảng tuần hoàn, ngoại trừ các khí trơ, cũng như các hợp chất vô cơ và hữu cơ Theo thống kê, phương pháp trắc quang chiếm khoảng 40% tổng số công trình khoa học được công bố trên các tạp chí.
Phương pháp phân tích trắc quang ngày càng phổ biến nhờ vào sự đơn giản và độ tin cậy cao Nó được ứng dụng rộng rãi trong kiểm tra sản xuất hóa chất, luyện kim, cũng như trong các nghiên cứu về hóa địa, hóa sinh, môi trường và nhiều lĩnh vực khác.
1.6.1 Cơ sở của phương pháp phân tích trắc quang
Phương pháp phân tích trắc quang dựa trên nguyên tắc xác định cấu tử X bằng cách chuyển đổi nó thành hợp chất có khả năng hấp thụ ánh sáng Sau đó, sự hấp thụ ánh sáng được đo để suy ra hàm lượng của chất cần xác định Cơ sở lý thuyết của phương pháp này là định luật hấp thụ ánh sáng Bouguer-Lambert-Beer.
Io, I lần lượt là cường độ của ánh sáng đi vào và ra khỏi dung dịch
L là bề dày của dung dịch ánh sáng đi qua
C là nồng độ của chất hấp thụ ánh sáng trong dung dịch, trong khi ε là hệ số hấp thụ quang phân tử, phụ thuộc vào bản chất của chất hấp thụ và bước sóng của ánh sáng tới, được thể hiện qua công thức ε = f(λ).
Như vậy, độ hấp thụ quang A là một hàm của các đại lượng: bước sóng, bề dày dung dịch và nồng độ chất hấp thụ ánh sáng
Khi đo độ hấp thụ A tại bước sóng λ với cuvet bề dày L, đường biểu diễn A = f(C) lý tưởng sẽ là một đường thẳng y = ax Tuy nhiên, do các yếu tố như bước sóng ánh sáng, độ pha loãng dung dịch, nồng độ H+, và sự hiện diện của các ion lạ, đồ thị không phải lúc nào cũng thể hiện dạng đường thẳng cho mọi nồng độ Do đó, biểu thức 1 sẽ có dạng khác.
Nồng độ chất hấp thụ ánh sáng trong dung dịch được ký hiệu là Cx, trong khi k là hằng số thực nghiệm Hằng số b có giá trị từ 0 đến 1 và là hệ số liên quan đến nồng độ Cx.
Khi nồng độ Cx nhỏ, hệ số hấp thụ b = 1, trong khi khi nồng độ Cx lớn, b sẽ nhỏ hơn 1 Đối với một chất phân tích trong dung môi và cuvet xác định, hệ số hấp thụ riêng ε và chiều dài cuvet L là hằng số Đặt K = kεL, ta có mối quan hệ giữa các yếu tố này.
Phương trình Aλ = KC b là cơ sở để định lượng các chất thông qua phương pháp trắc quang UV-VIS, dựa trên phép đo phổ hấp thụ Trong quá trình phân tích, chỉ sử dụng vùng nồng độ tuyến tính giữa A và C, với độ rộng của vùng này phụ thuộc vào bản chất hấp thụ quang của từng chất và các điều kiện thực nghiệm.
1.6.2 Các phương pháp phân tích định lượng bằng trắc quang
Có nhiều phương pháp định lượng chất bằng trắc quang, bao gồm cả phương pháp đơn giản không cần máy móc như phương pháp dãy chuẩn nhìn màu và chuẩn độ so sánh màu, thích hợp để kiểm tra nồng độ gần đúng Tuy nhiên, để có kết quả chính xác hơn, cần sử dụng các phương pháp máy quang phổ như phương pháp đường chuẩn, dãy tiêu chuẩn, và chuẩn độ trắc quang Việc lựa chọn phương pháp phù hợp tùy thuộc vào điều kiện và đối tượng phân tích cụ thể.
Phương pháp đường chuẩn là một kỹ thuật quan trọng trong định lượng chất, bắt đầu từ phương trình cơ sở A = k(Cx)^b Để xây dựng đường chuẩn, trước tiên cần pha chế một dãy dung dịch chuẩn với nồng độ chất hấp thụ ánh sáng nằm trong vùng nồng độ tuyến tính (b = 1) Sau đó, tiến hành đo độ hấp thụ quang A của các dung dịch này và từ những giá trị A đo được, ta sẽ xây dựng đồ thị A = f(C).
Sau khi thiết lập đường chuẩn, tiến hành pha chế các dung dịch cần xác định trong điều kiện tương tự như khi xây dựng đường chuẩn Đo độ hấp thụ quang A của các dung dịch này dưới cùng điều kiện đo (sử dụng dung dịch so sánh, cuvet và bước sóng giống nhau) để thu được các giá trị Ax Áp dụng các giá trị Ax đã đo vào đường chuẩn sẽ cho phép xác định các nồng độ Cx tương ứng.
Đánh giá sai số thống kê
Kết quả từ bất kỳ phương pháp phân tích nào đều có sai số Chúng ta cần thực hiện các bước phân tích để giảm thiểu sai số này Sử dụng phương pháp thống kê trong toán học, chúng ta có thể xác định giới hạn chứa giá trị thực với một độ xác suất nhất định.
Nếu biểu diễn giỏ trị thực của một vật là à
Kết quả quan sát được là x Độ lệch giữa à và x là Dx
Dx = x- à gọi là sai số đo
Trong phân tích, có ba loại sai số chính Đầu tiên, sai số thụ là sai số phát sinh do vi phạm các điều kiện cơ bản của phép đo, dẫn đến sự khác biệt lớn giữa các kết quả đo Sai số này dễ phát hiện và có thể được khử bằng cách sử dụng phương pháp đánh giá để loại bỏ các kết quả bất thường Thứ hai, sai số hệ thống không làm thay đổi trong một loạt phép đo nhưng thay đổi theo một quy luật nhất định, thường do việc không điều chỉnh chính xác dụng cụ đo hoặc do các yếu tố như nhiệt độ Sai số này có thể được phát hiện và hiệu chỉnh thông qua hệ số hiệu chỉnh tương ứng Cuối cùng, sai số ngẫu nhiên là đại lượng ngẫu nhiên được đặc trưng bởi luật phân phối, thể hiện mối quan hệ giữa các giá trị sai số và xác suất của chúng Đây là sai số còn lại sau khi đã khử sai số thô và hệ thống, do nhiều yếu tố gây ra và không thể tách riêng, vì vậy không thể loại trừ hoàn toàn.
1.7.2 Các đạ i l ượ ng th ố ng kê
Trong quá trình thực hiện thí nghiệm, chúng ta tiến hành nhiều thí nghiệm độc lập dưới cùng một điều kiện để thu thập kết quả riêng lẻ Sau đó, các kết quả này được xử lý thống kê nhằm đánh giá độ chính xác của phép đo Một trong những đại lượng thống kê quan trọng cần chú ý là giá trị trung bình cộng của mẫu thực nghiệm (x).
Giả sử ta tiến hành m phép đo độc lập đại lượng x với các kết quả x1, x2,… xm khi đó giá trị trung bình cộng bằng: m x m x x x x x m i i
= 1 2 3 4 1 ắ Phương sai điều chỉnh mẫu thực nghiệm (S 2 )
Phương sai mẫu thực nghiệm của phép đo phản ánh độ phân tán của kết quả đo, được đánh giá bằng:
Phương sai mẫu thực nghiệm (S²) được tính dựa trên số lần đo (m) và bậc tự do (k = m - 1) Trong đó, xi đại diện cho số đo của đại lượng x ở lần đo thứ i, và x là giá trị trung bình của mẫu thực nghiệm Độ lệch chuẩn (S) cũng được tính từ phương sai này.
S 2 : là phương sai điều chỉnh mẫu thực nghiệm ắ Sai số chuẩn ( σ )
Sai số chuẩn σ là một chỉ số thống kê quan trọng, thể hiện mức độ phân tán của mẫu và sai số của số trung bình Nó không phản ánh sai phạm hay sai sót của người thu thập dữ liệu, mà là sự chênh lệch cơ học có hệ thống trong số liệu, trong đó phương thức chọn mẫu đóng vai trò là một nguyên nhân chính.
S i σS: là độ lệch chuẩn điều chỉnh mẫu thực nghiệm m: là số lần đo đặc trưng cho mẫu thực nghiệm Ý ngh ĩ a c ủ a ph ươ ng sai, độ l ệ ch chu ẩ n, sai s ố chu ẩ n
Phương sai, độ lệch chuẩn, sai số chuẩn giúp ta nhận biết được mức độ đồng đều của thực nghiệm
Nếu phương sai, độ lệch chuẩn và sai số chuẩn nhỏ, các giá trị thực nghiệm sẽ tương đối đồng đều và tập trung quanh giá trị trung bình Hệ số biến động (V) là chỉ số quan trọng để đánh giá mức độ phân tán của dữ liệu.
Hệ số biến động V đặc trưng cho độ lặp lại hay độ phân tán của kết quả thí nghiệm được tính theo công thức:
Với S: là độ lệch chuẩn
V càng nhỏ thì độ lặp của phương pháp càng lớn ắ Biờn giới tin cậy ε
Giả sử một phép đo với sai số tin cậy như sau: ε Δ
Ta có thể dựa vào chuẩn student để tìm biên giới tin cậy: μ = x − ± m
S t là biên giới tin cậy
Độ tin cậy α được xác định là xác suất mà các kết quả đo lường nằm trong khoảng tin cậy Hệ số Student t α, k tương ứng với số bậc tự do k của phép đo và độ tin cậy α đã cho, với ε = − −.
Xác suất P (x-ε < x < x+ε) = α thể hiện độ tin cậy α thường được chọn là 0.95, 0.99 hoặc 0.999 Để đánh giá độ chính xác của phép phân tích, người ta thường sử dụng sai số tương đối.
Sai số tương đối (Δ) là tỉ lệ giữa sai số tuyệt đối (ω) và giá trị thực (à) hoặc giá trị trung bình (X) Thông thường, sai số tương đối được biểu thị dưới dạng phần trăm: Δ% = (ω / à) x 100 Trong đó, sai số tuyệt đối (ω) được tính bằng công thức ω = x - à, với à là giá trị thực của mẫu thực nghiệm.
THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Thiết bị, dụng cụ, hóa chất
- Máy đo mật độ quang UV–VIS (đo được ở 543nm)
- Ống nghiệm có nắp vặn loại 30ml, đường kính 20mm, dài 150mm
- Bình định mức 25ml, 100ml, 1000ml
Các hóa chất thuộc loại tinh khiết hóa học, có nguồn gốc rõ ràng
- Dung dịch NH4Cl-EDTA
Chuẩn bị các dung dịch
- Dung d ị ch Persulfate: Hòa tan 5,025g kali persulfate (K2S2O8 chứa nhỏ hơn 0,001% N) và 0,75g NaOH trong nước cất và pha loãng đến 250ml ngay trước lúc sử dụng
- Dung d ị ch đệ m Borate: Hòa tan 61,8g acid boric (H3BO3) và 8,0g NaOH trong nước cất và pha loãng đến 1L (Dung dịch này ổn định 2 tuần trong tủ lạnh)
Dung dịch N-NO3- được tạo ra bằng cách hòa tan 0,722g KNO3 (đã sấy khô ở 105°C trong 24 giờ) vào nước cất và định mức đến 1L Dung dịch này có thể sử dụng sau 1 tuần bảo quản trong tủ lạnh.
- Dung d ị ch CuSO 4 : Hòa tan 2g CuSO4.5H2O trong 90ml nước cất và pha loãng đến 100mL
- Dung d ị ch NH 4 Cl-EDTA: Hòa tan 13g NH4Cl và 1.7g Na2EDTA trong 900ml nước cất và pha loãng thành 1L
- Dung d ị ch NH 4 Cl-EDTA loãng: Pha loãng 300ml dung dịch NH4Cl-EDTA đến 500ml bằng nước cất
Để chuẩn bị hạt Cu-Cd, đầu tiên rửa 25g hạt Cd bằng HCl 6N và sau đó rửa lại nhiều lần bằng nước cất Tiếp theo, trộn đều Cd với 100ml dung dịch CuSO4 2% trong 5 phút hoặc cho đến khi màu xanh nhạt đi Sau đó, gạn và lặp lại quá trình với dung dịch CuSO4 2% mới cho đến khi xuất hiện kết tủa keo màu nâu Cuối cùng, rửa cẩn thận bằng nước cất để loại bỏ toàn bộ Cu kết tủa.
Để thực hiện thí nghiệm thu ố c th ử màu, bạn cần chuẩn bị một cốc nước cất và từ từ cho 200ml axit photphoric (H3PO4) vào cốc Tiếp theo, cân chính xác 20g Sulfanilamide và 1g N-(1-naphthyl)-ethylenediamine (NEDA), sau đó hòa tan hỗn hợp này và định mức thành 2L bằng nước cất Dung dịch thu được có thể bảo quản trong tủ lạnh và sẽ ổn định trong vòng 1 tuần.
Nội dung nghiên cứu
Khảo sát bước súng và thể tích dung dịch phân hủy là những yếu tố quan trọng trong nghiên cứu Bên cạnh đó, khảo sát thể tích đệm Borate và chiều dài cột khử cũng đóng vai trò không kém Việc xây dựng đường chuẩn và xác định hiệu suất thu hồi giúp nâng cao độ chính xác của phương pháp Đánh giá sai số thống kê của phương pháp là cần thiết để đảm bảo tính đáng tin cậy Cuối cùng, xây dựng quy trình phân tích và áp dụng phân tích mẫu thực tế sẽ giúp cải thiện kết quả nghiên cứu.
2.3.1 Kh ả o sát b ướ c sóng λ max
Bước đầu tiên là lấy lần lượt 5, 10, 20 và 29ml dung dịch chuẩn NO3- với nồng độ 10mg/l, sau đó cho vào các bình định mức 100ml được đánh số từ 1 đến 4 Cuối cùng, định mức các dung dịch này bằng nước cất đến vạch quy định.
Trong bước 2, lấy 10ml dung dịch chuẩn đã định mức và chia vào 4 ống nghiệm 30ml có nắp vặn, được đánh số từ 1 đến 4 Tiếp theo, thêm 5ml dung dịch phân hủy vào mỗi ống, vặn chặt nắp và lắc hai lần để trộn đều Sau đó, đun hỗn hợp trong nồi áp suất ở nhiệt độ 100-110 độ C trong 30 phút và để nguội từ từ đến nhiệt độ phòng.
Bước 3: Cẩn thận rót các dung dịch vào các bình định mức 25ml, tráng ống nghiệm với vài giọt nước cất để tránh mất mẫu Tiếp theo, thêm 1ml đệm borate và định mức bằng nước cất cho đến vạch quy định.
Bước 4: Đổ 25ml dung dịch đã định mức ra 4 cốc, sau đó thêm 75ml dung dịch NH4Cl-EDTA và trộn đều Tiến hành cho dung dịch chảy qua cột khử với tốc độ 7-10ml/phút, loại bỏ 25ml đầu tiên và thu phần còn lại vào bình chứa Sau 15 phút, lấy 20ml dung dịch đã qua cột cho vào ống nghiệm, thêm 1ml thuốc thử tạo màu và trộn đều Để dung dịch ổn định từ 10 phút đến 2 giờ trước khi khảo sát bước sóng.
2.3.2 Kh ả o sát th ể tích dung d ị ch phân h ủ y
Lấy 20ml dung dịch chuẩn NO3 có nồng độ 10mg/l cho vào bình định mức 100ml và thêm nước cất đến vạch Sau đó, chia 10ml dung dịch đã định mức vào 5 ống nghiệm có nắp vặn, mỗi ống thêm lần lượt 3, 4, 5, 6, và 7ml dung dịch phân hủy Vặn chặt nắp, đảo ống nghiệm 2 lần và tiến hành đun.
30 phút trong nồi áp suất ở 100-110 0 C Làm nguội từ từ đến nhiệt độ phòng
Tiến hành đo mật độ quang của dãy dung dịch đã chuẩn bị ở bước sóng λ max đã khảo sát Thể tích dung dịch phân hủy tối ưu được xác định tương ứng với mẫu có mật độ quang cao nhất.
2.3.3 Kh ả o sát th ể tích đệ m Borate
Lấy 20ml dung dịch chuẩn NO3 với nồng độ 10mg/l cho vào bình định mức 100ml và định mức đến vạch bằng nước cất Tiếp theo, lấy 10ml dung dịch đã định mức cho vào 5 ống nghiệm có nắp vặn, thêm thể tích dung dịch phân hủy đã khảo sát, vặn chặt nắp và đảo ống nghiệm 2 lần Đun hỗn hợp trong nồi áp suất ở nhiệt độ 100-110°C trong 30 phút, sau đó để nguội từ từ đến nhiệt độ phòng.
Rót cẩn thận dung dịch vào bình định mức 25ml, tráng ống nghiệm với nước cất để tránh mất mẫu Thêm lần lượt 0.6, 0.8, 1, 1.2, 1.4ml dung dịch đệm borate và định mức bằng nước cất Sau đó, thêm 75ml dung dịch NH4Cl-EDTA và trộn đều Cho dung dịch chảy qua cột khử với tốc độ 7-10ml/phút, bỏ 25ml đầu tiên và thu phần còn lại vào bình chứa Trong vòng 15 phút sau khi khử, lấy 20ml dung dịch vào ống nghiệm, thêm 1ml thuốc thử tạo màu và trộn đều để ổn định.
10 phút đến 2 giờ Sau đó, tiến hành đo mật độ quang của 5 mẫu đã chuẩn bị tại bước sóng λ max đã khảo sát
2.3.4 Kh ả o sát chi ề u dài c ộ t kh ử Để khảo sát chiều dài cột khử, chúng tôi đã chuẩn bị 5 mẫu dung dịch gốc
NO3 - có nồng độ 1mg/l, các bước khảo sát được tiến hành như sau
Lấy 10 ml dung dịch NO3 - 1mg/l vào 5 ống nghiệm 30ml, đánh số từ 1 đến 5 Thêm 5ml dung dịch phân hủy vào mỗi ống, vặn chặt nắp và đảo đều Đun trong nồi áp suất ở 100-110 độ C trong 30 phút, sau đó làm nguội từ từ đến nhiệt độ phòng.
Thêm 1 ml dung dịch đệm Borate và định mức thành 25ml, tiếp tục thêm 75ml dung dịch NH4Cl-EDTA, trộn đều
Các mẫu từ 1 đến 5 được đưa qua cột khử với chiều dài lần lượt là 14, 16, 18, 20 và 22 cm Sau khi bỏ qua 25 ml đầu tiên, phần dung dịch còn lại được thu thập và ổn định.
Sau 15 phút, tiến hành hút 20ml mẫu và thêm 1ml thuốc thử màu, để ổn định màu trong khoảng thời gian từ 10 phút đến 2 giờ Cuối cùng, đo mật độ quang tại bước sóng λ max đã được khảo sát.
2.3.5 Xây d ự ng đườ ng chu ẩ n
Để xây dựng đường chuẩn, cần thực hiện các bước chuẩn bị theo mục 2.3.1 Tiến hành đo mật độ quang để xây dựng đường chuẩn D = f(C) và xác định phương trình đường thẳng thể hiện mối quan hệ giữa mật độ quang đo được và nồng độ NO2-.
2.3.6 Xác đị nh hi ệ u su ấ t thu h ồ i Để đánh giá hiệu suất của phương pháp, chuẩn bị 5 mẫu dung dịch gốc NO3 - có nồng độ 1mg/l
Lấy 10ml dung dịch gốc và 5ml dung dịch phân hủy cho vào ống nghiệm 30ml có nắp vặn Đảo đều và đun trong nồi áp suất ở nhiệt độ 100-110 độ C trong 30 phút Sau đó, lấy ống nghiệm ra và để nguội đến nhiệt độ phòng.
3, 4 ở mục 2.3.1 Sau đó đem đi đo mật độ quang tại bước sóng λ max
2.3.7 Đ ánh giá sai s ố th ố ng kê c ủ a ph ươ ng pháp
Trong quá trình phân tích, việc xảy ra sai số là điều không thể tránh khỏi, từ các bước cân đo thể tích cho đến các giai đoạn phân tích khác Những sai số này có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp phân tích Vì vậy, việc đánh giá sai số thống kê là rất cần thiết để đảm bảo tính chính xác trong kết quả.