CHƯƠNG III CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DÙNG TRONG QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG
III.2. Các phương pháp phân tích thường được sử dụng trong phân tích môi trường
III.2.1. Phương pháp trắc quang
2. Phương pháp quang kế ngọn lửa (Flame photometer)
Phương pháp quang kế ngọn lửa là một dạng phân tích quang phổ phát xạ. Nguyên lý cơ bản của phương pháp này như sau: Dưới tác dụng của nhiệt độ ngọn lửa các nguyên tử,
phân tử hoặc ion của chất bị kích thích sẽ chuyển sang trạng thái các dao động của điện tử phát xạ. Cường độ phát xạ này được đo bằng dụng cụ quang học rồi từ đó tính ra nồng độ chất cần xác định. Phạm vi sử dụng của quang kế ngọn lửa là rất lớn, rất nhiều nguyên tố có thể dùng phương pháp này để xác định trực tiếp hoặc gián tiếp với tốc độ nhanh và có độ chính xác cao.
a/ Cơ sở lý thuyết
Sự hấp thụ hoặc phát xạ năng lượng ánh sáng làm cho nguyên tử (hoặc phân tử, ion) chuyển trạng thái bình thường sang trạng thái bị kích thích và ngược lại.
Ở trạng thái bình thường nguyên tử có năng lượng nhỏ nhất, khi hấp thụ nặng lượng chúng chuyển sang trạng thái kích thích. Thời gian nguyên tử ở trạng thái kích thích rất ngắn (thường là 10-8 giây) rồi lại chuyển về trạng thái cân bằng theo sự phát xạ.
Sự kích thích phụ thuộc vào mức năng lượng của chúng ở trạng thái bình thường và trạng thái kích thích.
∆E = E2 – E1 = hν
Như vậy, mỗi một nguyên tử hay ion biến đổi từ trạng thái bình thường sang trang thái bị kích thích được đặc trưng bằng một trị số năng lượng nhất định. Vì vậy, sự phát xạ nguyên tử của bất kỳ một nguyên tố nào cũng có thành phần quang phổ đặc trưng hay cấu tạo vạch quang phổ đặc trưng.
Để ứng dụng trong phép phân tích định lượng người ta chọn lấy một vạch quang phổ đặc trưng nhất là vạch phổ xuất hiện cuối cùng khi giảm dần nồng độ chất. Sự thay đổi cường độc của vạch xác định nguyên tố cần phân tích.
Sự kích thích quang phổ phát xạ tăng lên khi tăng nguồn năng lượng ban đầu cung cấp, tức nhiệt độ. Tuy nhiên, một số nguyên tố kim loại kiềm, kiềm thổ có thể phát xạ ánh sáng ở nhiệt độ không cao lắm, vì vậy việc xác định những nguyên tố này không nhất thiết phải đốt ở nhiệt độ rất cao. Nhìn chung, để nhận được những vạch quang phổ cần có nhiệt độ thích hợp cho từng nguyên tố.
Bảng 15. Nhiệt độ của một số ngọn lửa thường dùng Hỗn hợp cháy Nhiệt độ ngọn lửa (Co)
Propan – Không khí 1700-1800
Hydro – Không khí 2000-2045
Axetylen 2125-2397
Hydro - Oxy 2550-2660
Axetylen - Oxy 3100-3137
Propan – N2O 2850-2900
Khi tăng nồng độ nguyên tố có thể xảy ra hiện tượng hấp thụ pháp xạ, tức là những nguyên tố không bị kích thích sẽ hấp thụ một phần năng lượng phát xạ. Vì thế, nên bắt đầu từ một giới hạn nồng độ nào đó (đối với một nguyên tố xác định) thì quan hệ giữa cường độ phát xạ I và nồng độ C sẽ không là tuyến tính, tức là phương pháp quang kế ngọn lửa chỉ đúng và dùng được trong phạm vi nồng độ nhất định đối với từng nguyên tố.
Ngoài ra cần chú ý tới những điều kiện sau:
• Quá trình xảy ra trong ngọn lửa: ở điều kiện nhiệt độ cao thường có sự bay hơi lớn, phân tử các muối phân ly tham gia phản ứng với các thành phần khác nhau, kết quả là cùng một lúc trong ngọn lửa tồn tại một lượng electron tự do, ion, phân tử, nguyên tử… Cân bằng giữa những dạng này phụ thuộc vào nhiệt độ ngọn lửa, thành phần hơi của dung dịch, điều kiện oxi hoá - khử. Vì vậy thành phần dung dịch chứa nguyên tố cần xác định có ảnh hưởng đến kết quả phân tích. Để loại trừ ảnh hưởng này, cần chuẩn bị dung dịch chuẩn có thành phần giống như thành phần dung dịch phân tích.
• Thành phần dung dịch không ảnh hưởng đến các quá trình xảy ra trong ngọn lửa mà còn ảnh hưởng tới quá trình bơm mẫu. Nhiệt độ, sức căng bề mặt… sẽ thay đổi lượng dung dịch được hút qua vòi phun tham gia vào trong ngọn lửa, nên độ sáng của ngọn lửa cũng sẽ thay đổi. Điều này sẽ gây ra sai số cho phép phân tích.
• Sự có mặt các ion lạ với lượng lớn trong dung dịch sẽ làm chuyển dịch cân bằng trong các phản ứng phân li và ion hoá trong dung dịch. Ví dụ như cường độ phát xạ của canxi và các kim loại kiềm khác giảm xuống khi có mặt nhôm vì khi tạo thành một hợp chất khó phân li (nCaO.Al2O3). Lượng canxi càng nhiều thì giá trị n càng lớn.
• Các cation kim loại kiềm có ảnh hưởng đến sự phát xạ của nhau, thường làm tăng cường độ phát xạ. Ảnh hưởng của các cation kim loại kiềm giảm theo thứ tự sau:
Ca>Rb>K>Na>Li
• Ảnh hưởng của anion: Khi có mặt một vài anion trong dung dịch sẽ làm giảm nồng độ và cường độ phát xạ của các nguyên tử kim loại. Anion nitrat có ảnh hưởng nhất đến sự phát xạ ánh sáng của kim loại kiềm. Mức độ ảnh hưởng tăng theo thứ tự sau:
SO42-<Cl-<PO43-
• Rất nhiều chất có mặt trong dung dịch thường tự phát xạ với những bước sóng gần với bước sóng phân tích của nguyên tố xác định. Điều đó làm tăng kết quả xác định.
b/ Quang kế ngọn lửa
Cấu tạo: Bất kì một quang kế ngọn lửa nào cũng gồm những bộ phận chính sau:
Nguồn phát xạ: gồm máy bơm khí nối với ống phun mù để chuyển dung dịch sang trạng thái sol khí đưa vào ngọn lửa, bộ phận cấp hơi đốt đưa vào đèn.
Thiết bị đơn sắc: thường là kính lọc phân lập, mỗi nguyên tố có kính lọc màu riêng, thường có các kính lọc Na, Ca, Li, K…
Bộ thu phát xạ: đo cường độ phát xạ. Đa số các nước thường dùng tế bào quang điện.
Điện kế nhạy (đến 10-10 Å).