LẤY MẪU VÀ BẢO QUẢN MẪU PHÂN TÍCH
Lấy mẫu
Để thu thập mẫu nước ô nhiễm từ tàu chính và tiếp cận gần bề mặt biển, cần sử dụng các tàu nhỏ phù hợp Quá trình lấy mẫu nên được thực hiện từ phía khuất gió của tàu để đảm bảo độ chính xác.
Trong khu vực chưa từng có tàu nào hoạt động, tàu đã di chuyển 200 mét ngược gió Trong quá trình lấy mẫu, tàu di chuyển chậm theo hướng vuông góc với dòng hải lưu chủ đạo.
Mẫu nước biển được thu thập bằng thiết bị Niskin từ độ sâu 0,5 đến 10 m, tùy thuộc vào vị trí của thiết bị Việc lấy mẫu ở các độ sâu này rất quan trọng để phân tích các chất mà tàu có thể gây ô nhiễm.
Trước khi lấy thiết bị mẫu, cần bọc tất cả bề mặt tiếp xúc bằng túi sạch và người thực hiện phải đeo găng tay chuyên dụng Thiết bị được kết nối với sợi dây thừng có đánh dấu độ dài, cho phép lấy mẫu ở các độ sâu khác nhau Đầu dây đánh dấu “START” được gắn vào thiết bị qua các khe, và khoảng nửa mét dây treo từ đáy thiết bị sẽ nối với quả nặng, giúp thiết bị đứng thẳng khi ở dưới nước.
Trước khi hạ thiết bị lấy mẫu xuống nước, cần chuẩn bị một số bước quan trọng Đầu tiên, mở cả hai nắp ở hai đầu và trên thân chính để tạo độ chùng cho vòng dây gắn với nắp chai trên cùng, giúp nó kéo xuống gần chốt ở nửa dưới thiết bị Để mở chốt, ấn miếng nhựa trắng gần đầu thiết bị và đóng lại bằng vòng dây Sau đó, móc cái chụp màu đồng thau bên ngoài dây nhựa, đảm bảo chụp luôn nằm dưới trái banh trắng để bình không đóng lại khi thiết bị được kích hoạt Lưu ý rằng nắp phía trên của thiết bị phải cách xa nút trắng phía trên.
Ba yếu tố có thể cản trở chức năng kích hoạt Đầu tiên, cần kiểm tra vít thông hơi trắng ở phía trên đã được đóng kín Thứ hai, đảm bảo vòi ở phần đáy đã được rút ra Việc này sẽ ngăn nước rò rỉ ra ngoài khi thiết bị lấy mẫu được kéo lên sau quá trình lấy mẫu.
Để lấy mẫu nước, trước tiên hãy dựng thẳng đứng dụng cụ lấy mẫu và căn chỉnh các điểm đánh dấu trên sợi dây thừng với mặt nước để đảm bảo lấy mẫu ở độ sâu chính xác Khi đã căn chỉnh xong, thả tín hiệu (messenger) để cảm nhận tín hiệu chạm vào nút trắng trên thiết bị, giúp đóng bình chứa mẫu và dẫn nước vào trong Sau khi kéo thiết bị lên khỏi mặt nước, nếu thành công, nắp thiết bị sẽ được đóng lại và chứa đầy nước ở độ sâu đã chọn Nếu không, cần thực hiện lại quy trình Để chuyển mẫu nước ra ngoài, nhấn vòi ở dưới thiết bị và vặn mở vít thông hơi trắng ở trên, điều chỉnh tốc độ nước chảy vào bình chứa bằng cách vặn chặt hoặc nới lỏng vít Tráng bình chứa mẫu bằng nước đã lấy từ thiết bị rồi đổ đi, sau đó rót đầy bình tới phần vai bình và buộc chằng nút cẩn thận để tránh bay hơi nước, dễ dàng di chuyển mẫu về phòng thí nghiệm.
Thiết bị lấy mẫu nước biển Niskin
Lọc mẫu
Việc lọc nước biển phục vụ hai mục đích chính: tách SPM để thu được mẫu nước 'sạch' và tách (cũng như làm giàu) SPM để phân tích thành phần Trong quá trình lấy mẫu nước biển ngoài đại dương, thường tránh lọc do nồng độ SPM thấp, mặc dù không áp dụng cho tất cả các chất, như nghiên cứu về nồng độ Fe dạng hạt trong Đại Tây Dương của Helmers và cộng sự (1991) Bước lọc có thể gây ô nhiễm nghiêm trọng cho nhiều thành phần, do đó, trong các phép đo quang phổ mẫu chưa được lọc, cần bù cho độ hấp thụ không đặc hiệu Cũng cần lưu ý rằng một số thuốc thử chứa acid có thể phân giải một phần chất lơ lửng, vì vậy hiệu chỉnh độ đục nên được thực hiện với các mẫu đã thêm acid tương ứng có trong thuốc thử, quy trình này được mô tả trong các phần liên quan đến phương pháp luận xác định các hợp chất riêng lẻ.
Việc lấy mẫu ở các vùng biển ven bờ và lọc thềm biển là rất quan trọng, và có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau, được trình bày ngắn gọn trong phần tiếp theo.
2.2 Phương pháp lọc (ly tâm) Để tránh các vấn đề tiềm ẩn của quá trình lọc, ly tâm ngay sau khi lấy mẫu có thể mang lại lợi ích Ví dụ, Kérouel và Aminot (1987) đã đề xuất một thiết bị theo đó mẫu phụ để phân tích chất dinh dưỡng từ dụng cụ lấy mẫu hoa thị được thu thập trong một cái chai bằng poly-propylene và không cần xử lý thêm, được ly tâm và tiêm trực tiếp vào hệ thống máy phân tích tự động Quá trình ly tâm theo mẻ này cũng cung cấp một công cụ để thu thập lượng lớn các hạt Tuy nhiên, việc trao đổi phần nổi phía trên với nước chưa qua xử lý chắc chắn có nguy cơ thất thoát và nhiễm bẩn
Khi cần xử lý các mẫu nước biển lớn, đặc biệt để nghiên cứu SPM ở khu vực gần sông, quy trình ly tâm dòng chảy liên tục là lựa chọn tối ưu Phương pháp này kết hợp độ phân giải không gian nhỏ của việc lấy mẫu với khả năng thu thập hiệu quả lượng lớn chất dạng hạt trong điều kiện ô nhiễm tối thiểu.
Xử lý nước đại dương ngoài trời thường yêu cầu khối lượng từ 5 đến 12 m³ cho mỗi mẫu SPM khoảng 1 g, với nồng độ SPM trong nước mặt dao động từ 100-200 mg/m³ Nước biển chỉ tiếp xúc với các vật liệu như polyetylen, polypropylen, Teflon và titan, cho thấy phương pháp này hiệu quả trong việc thu thập các thành phần hữu cơ dạng vết Do đó, ly tâm dòng chảy trở thành một công cụ mạnh mẽ cho nghiên cứu liên ngành tại các vùng nước gần bề mặt.
Cấu tạo thiết bị lấy mẫu nước biển
Bảo quản mẫu
Mặc dù các ion đa lượng có nồng độ cao trong nước biển, việc bảo quản mẫu chứa các ion này gặp nhiều khó khăn Thủy tinh, chứa kim loại kiềm và kiềm thổ, có thể tham gia vào phản ứng trao đổi ion với các ion hòa tan, do đó không phù hợp để bảo quản mẫu lâu dài Ngoài ra, một số loại nhựa như polyetylen mật độ thấp cũng gặp vấn đề rò rỉ nước và khí, làm giảm chất lượng mẫu.
Việc sử dụng polyetylen mật độ cao đã được chứng minh là hiệu quả trong việc giảm sai số trong phân tích hàm lượng ion Với thể tích mẫu lớn khoảng 5 L và quy trình phân tích kéo dài vài ngày từ khi lấy mẫu, thất thoát mẫu được coi là không đáng kể Để bảo quản mẫu lâu dài, một loại ống thủy tinh đặc biệt đã được sử dụng để chứa.
Nước biển tiêu chuẩn được lưu trữ trong thủy tinh cường lực, đảm bảo không thay đổi về thành phần, độ dẫn điện và khối lượng riêng trong nhiều năm.
Quy trình bảo quản mẫu nước biển dài hạn sau đây đã được khuyến nghị bởi các nhà nghiên cứu:
Thiết bị lấy mẫu nước biển thu thập khoảng 5 L mẫu nước, được chứa trong bình polyetylen mật độ cao và gửi đến phòng thí nghiệm Mỗi mẫu được lọc qua bộ lọc thủy tinh xốp thấp và được niêm phong trong ống thủy tinh đặc biệt với thể tích khoảng 300 mL Quá trình bơm chân không điều chỉnh tốc độ lọc đạt 80% thể tích ống trong 30 giây Những giọt nước biển còn lại ở cổ ống được loại bỏ bằng giấy lọc trước khi hơ nóng để niêm phong Các ống chứa mẫu cần được bảo quản trong bóng tối để đảm bảo chất lượng.
Thiết bị lọc và bảo quản mẫu
PHÂN TÍCH MẪU
Phân tích anion Cl -
Nhóm tác giả sử dụng phương pháp Mohr (một trong những phương pháp chuẩn độ kết tủa) để xác định hàm lượng ion Clo trong nước biển
Dung dịch AgNO3 được sử dụng làm thuốc thử để phát hiện ion Cl- trong mẫu nước biển, tạo ra kết tủa trắng sữa Mặc dù Ag+ có khả năng tạo kết tủa với các halogen khác có trong nước biển, nhưng nồng độ của các halogen này rất nhỏ so với Cl-, do đó không ảnh hưởng đến quá trình định lượng ion Cl-.
Để xác định chính xác thời điểm các halogen bị kết tủa hết, người ta sử dụng dung dịch Kali Cromat (K2CrO4) làm chỉ thị màu Khi thêm vài giọt chỉ thị màu vào mẫu nước và tiến hành chuẩn độ, kết tủa màu da cam (Ag2CrO4) sẽ hình thành cùng với kết tủa trắng sữa Tuy nhiên, do Ag2CrO4 không bền vững, nó sẽ phân ly và các ion Bạc mới sẽ kết hợp với các halogen tự do trong mẫu nước, dẫn đến việc màu da cam biến mất Màu da cam sẽ chỉ ổn định khi không còn halogen tự do trong mẫu nước.
8 quá trình kết tủa các halogen thực sự kết thúc Phản ứng thu gọn của quá trình hình thành màu da cam như sau:
+ 2Ag + ⇔ Ag2CrO4 ↓ (da cam)
Biết thể tích dung dịch AgNO3 đã dùng để kết tủa ion Cl- trong mẫu nước biển giúp xác định nồng độ ion Cl- trong mẫu chuẩn một cách dễ dàng.
Chuẩn độ trong môi trường có pH=6,5–10 (nếu dung dịch không có NH3) và pH=6.5-8 (nếu dung dịch có NH3) vì:
Nếu pH < 6.5 có phản ứng: 2CrO4 2-
+ H2O Nếu pH > 10 có phản ứng: 2Ag + + 2OH - → 2AgOH ⇔ Ag2O↓ + H2O
Nếu có NH3 có phản ứng : AgCl + 2NH3 →[Ag(NH3)2] + + Cl -
Chuẩn độ ở điều kiện thường vì Ag2CrO4 ↓ tan ở nhiệt độ cao
Nước biển là một dung dịch đệm pH tự nhiên, chứa nhiều axit yếu và muối, với tính kiềm yếu và pH ổn định trong khoảng 7,6-8,4 Sự ổn định này cho phép nước biển ở mọi vùng trên thế giới đáp ứng các điều kiện môi trường cần thiết, đặc biệt là trong việc sử dụng phương pháp Mohr để định lượng Cl-.
1.4 Điều kiện của chất chỉ thị Để sai số không quá ± 0,1% phương pháp cần chuẩn độ trong điều kiện: Điểm kết thúc phụ thuộc vào nồng độ của chỉ thị nên cần tính nồng độ K2CrO4 cần thiết cho vào Ở tại điểm tương đương nồng độ cần thiết của Ag + kết tủa Cl -
Vậy nồng độ cần thiết của Ag + tạo kết tủa ion CrO4 2- là:
Nồng độ của chỉ thị nằm trong khoảng từ 10^-2 đến 10^-3; nếu nồng độ quá cao, màu vàng của ion cromat sẽ che lấp màu đỏ gạch của kết tủa, gây khó khăn trong việc xác định điểm tương đương.
1.5 Hóa chất và thiết bị
Chất chỉ thị K2CrO4 5% được sử dụng làm chỉ thị màu cho thời điểm tương đương, không yêu cầu nồng độ dung dịch K2CrO4 phải chính xác cao Tuy nhiên, chế phẩm để pha chế dung dịch cần phải tinh khiết, không chứa tạp chất có thể phản ứng với Bạc Nitrat hoặc làm thay đổi màu sắc trong quá trình chuẩn độ Để chuẩn bị dung dịch Kali Crommat 5%, lấy 5 gam muối K2CrO4 sạch và hòa với 95 mL nước cất.
- Cốc chuẩn độ thể tích khoảng 300 mL, sử dụng loại cốc đốt bình thường
- Ống nhỏ giọt (dùng cho dung dịch chất chỉ thị)
- Các bình và chai lọ sẫm màu để chứa dung dịch Bạc Nitrat (thể tích từ 3L đến 5L), nắp bằng cao su
1.6 Thực hiện phân tích mẫu
Tráng buret bằng dung dịch AgNO3 đạt tiêu chuẩn, sau đó nạp dung dịch vào buret Tiến hành điều chỉnh buret cho đúng yêu cầu chuẩn độ, đảm bảo dung dịch tạo hình cầu lõm ở vị trí vạch số 0 và trong buret không còn bọt khí.
Để thực hiện phân tích, cần cân chính xác 15 mL mẫu nước biển (mmẫu (g)) trong bình Erlen đã được đậy kín bằng kính đồng hồ Sau đó, mẫu này được chuyển định lượng vào bình chuẩn độ, và thêm vào 5 giọt dung dịch để tiến hành các bước tiếp theo.
K2CrO4 5% đã chuẩn bị vào lượng mẫu vừa lấy
Mở van khóa của burret từ từ để cho dung dịch AgNO3 chảy vào erlen, đồng thời lắc đều Tiếp tục quá trình này cho đến khi dung dịch chuyển từ màu trắng vàng sang màu đỏ bền trong vài phút thì dừng lại.
Ghi lại thể tích AgNO3 đã dùng
Tiếp tục làm lại thí nghiệm này 2, 3 lần, sau đó lấy nồng độ Cl - trung bình
Phân tích cation K +
Phương pháp phân tích khối lượng được sử dụng để xác định kali và hợp chất ít tan của nó, như kali tetraphenylborate, rất phổ biến trong khảo sát các nguyên tố trong đại dương Quy trình này được ưa chuộng nhờ độ chính xác cao và yêu cầu ít thiết bị phân tích Phương pháp này đã được phát triển bởi các nhà nghiên cứu Wittig (1950), Raff và Brotz (1951).
Công thức cấu tạo của tetraphenylborate 2.2 Nguyên tắc phương pháp
Natri tetraphenylborate (Kalignost) phản ứng với kali theo phương trình
K[B(C6H5)4] là một hợp chất có độ tan thấp trong khoảng pH từ 4 đến 6, với tích số tan khoảng 2,3 x 10^-8 ở 20°C Khi có một lượng nhỏ natri tetraphenylborate trong dung dịch, độ tan của kết tủa có thể được coi là không đáng kể Sự hiện diện của các ion canxi và magie có thể gây ra sai số lớn trong quá trình kết tủa, nhưng sai số này có thể được giảm thiểu trong dung dịch acid acetic, nơi cacbonat của chúng tan, trong khi kali tetraphenylborat thì không K[B(C6H5)4] tồn tại dưới dạng tinh thể và sẽ phân hủy khi nhiệt độ vượt quá 100°C Một số cation khác như rubidi, xesi, amoni, thủy ngân, thali(I) và bạc cũng có thể tạo kết tủa bền với gốc tetraphenylborate, nhưng nồng độ của chúng trong nước biển tự nhiên rất thấp, do đó có thể được bỏ qua.
2.3 Hóa chất và thiết bị
Natri tetraphenylborate (Kalignost), Na[B(C6H5)4], được chuẩn bị bằng cách hòa tan 34,2 g trong 900 mL nước cất và thêm 5 g nhôm oxit (Al2O3, a.g.) để giảm độ đục Sau khi lắc trong 5 phút, dung dịch được pha loãng đến 1000 mL và lọc qua bộ lọc dày Dung dịch trong suốt này có thể giữ bền trong khoảng 2 tuần Tuy nhiên, nếu được bảo quản trong vật chứa bằng thủy tinh, dung dịch có thể bị đục do giải phóng kali từ các tường kính, do đó cần lọc lại trước khi sử dụng.
- Dung dịch Kalignost pha loãng: hòa tan 50 mg Kalignost, Na[B(C6H5)4], trong 500 mL nước cất, sau đó thêm 0,5 – 1 g Al2O3, lắc và lọc như hướng dẫn 1
- Natri cacbonat, Na2CO3 (a.g.), 5% (KL/TT)
- Acid acetic khan, CH3COOH (a.g.)
- Becher 250 mL, có nắp đậy thủy tinh
- Bộ lọc bằng thủy tinh: G4, loại cú độ xốp 10 – 16 àm
2.4 Thực hiện phân tích mẫu
Cho 100 mL mẫu nước biển vào becher 250 mL có nắp đậy bằng thủy tinh và khuấy đều Trong quá trình khuấy, thêm 10 mL dung dịch Na2CO3 (5%) và tiếp theo là 10 mL dung dịch Kalignost Cẩn thận thêm khoảng 1 mL acid acetic khan có pH từ 4 đến 6, kiểm tra pH bằng giấy đo Bảo quản dung dịch cẩn thận để tránh thay đổi các thông số do hiện tượng “CO2 – splashes” Đợi trong 10 phút và thỉnh thoảng khuấy đều dung dịch.
Kết tủa được thu thập trên bộ lọc thủy tinh và nung ở nhiệt độ 120°C trong 2 giờ trong lò sấy khô trước khi cân Sau đó, kết tủa được rửa sạch nhiều lần với dung dịch Kalignost pha loãng (tổng lượng khoảng 15 – 20 mL) và tiếp tục rửa với 3 – 6 mL nước cất Cuối cùng, kết tủa được sấy trong lò sấy ở nhiệt độ tối đa 100°C trong 2 – 3 giờ Sau khi làm nguội bình hút ẩm, bộ lọc thủy tinh được cân lại.
Lưu ý: Cách làm sạch bộ lọc thủy tinh tốt nhất là rửa bằng nước cất và khoảng 5 mL aceton để hòa tan lượng kết tủa còn dư
Nồng độ kali được tính theo công thức:
Trong đó a: khối lượng kết tủa (g) w: khối lượng mẫu nước biển (g)
Ta có tỉ lệ khối lượng số gam K + trong 1 kg mẫu nước biển đặt là 𝑥 theo công thức (1)
𝑉 𝑚ẫ𝑢 1000 trong đó 𝑉 𝑚ẫ𝑢 là thể tích mẫu đã sử dụng (mL)
Phương pháp này giúp xác định chính xác nồng độ kali thấp trong mẫu, nhờ vào khối lượng phân tử lớn của kết tủa so với khối lượng phân tử của kali.
100 khảo sát về biển Baltic gần đây đã cho ta thấy nồng độ kali trung bình vào khoảng 0,26%
Marquis và Lebel (1981) đã kết tủa các ion halogen trong mẫu bằng dung dịch AgNO3 và sau đó kết tủa kali bằng natri tetraphenylborate Lượng dư tetraphenylborate được chuẩn độ bằng dung dịch AgNO3 với điện cực bạc để xác định điểm cuối Phương pháp này hiệu quả cho mẫu nước biển nhỏ (khoảng 1 mL) và nước xen kẽ, đạt độ chính xác tốt hơn 1% Quy trình này giúp rút ngắn giai đoạn lọc và sấy khô, mặc dù độ chính xác thấp hơn một chút so với phương pháp phân tích khối lượng.
Phân tích cation Mg 2+
Phương pháp này dựa trên sự khác biệt giữa các phép đo tổng kiềm thổ thông qua chuẩn độ phức chất với EDTA (axit ethylenediamine-N, N, N’, N’-tetraacetic) và phép đo chọn lọc Canxi Chuẩn độ đồng thời EDTA cho Canxi, Stronti và Magie sử dụng chỉ thị Erio T đen (EBT) và được áp dụng lần đầu tiên trong phân tích nước biển.
Voipio (1959) và Pate cùng Robinson (1961) đã nghiên cứu về việc xác định điểm cuối Để giảm thiểu sai số chủ quan trong quá trình này, Culkin và Cox (1966) đã áp dụng phương pháp phát hiện điểm cuối bằng trắc quang.
3.2 Nguyên tắc phương pháp Đối với tài liệu tham khảo chung về chuẩn độ phức chất với acid aminopolycarboxylic Chelate được tạo thành bởi Canxi, Stronti và Magiê với EDTA rất ổn định, với hằng số ổn định logarit lần lượt là 10,70, 8,63 và 8,69 (ở 20°C và cường độ ion là 0,1) Chỉ thị metallochromic EBT được sử dụng để phát hiện điểm cuối Hợp chất này là một dẫn xuất
14o, o’-dihydroxy-azonaphtalene có màu xanh lam trong khoảng pH 7-11 và chuyển sang màu đỏ tươi khi thêm các cation đa hóa trị như kiềm thổ Mặc dù phức hợp Magie-EBT (tỷ lệ 1:1) ổn định hơn phức Canxi-EBT, nhưng sự thay đổi màu sắc ở điểm cuối diễn ra khá đột ngột Để đạt độ chính xác cao hơn, phương pháp chuẩn độ trắc quang ở bước sóng 640 nm được khuyến nghị Dung dịch EDTA dùng để chuẩn độ tổng nồng độ kim loại kiềm thổ được chuẩn hóa dựa trên dung dịch muối Magie, như Carpenter và Manella (1973) đã chỉ ra Nếu dung dịch Canxi được sử dụng thay thế, điểm cuối trắc quang sẽ vượt quá điểm tương đương khoảng 1%, điều này có thể là nguyên nhân dẫn đến sự khác biệt về tỷ lệ Mg/Cl trong các bộ dữ liệu nước đại dương (Millero và Sohn, 1992).
3.3 Hoá chất và thiết bị
Dung dịch EDTA có công thức hóa học C10H14N2Na2O8.2H2O với nồng độ 0,025 mol/L được sử dụng cho mẫu có S
