Luận văn Khảo sát, nghiên cứu, xác định hàm lượng các cation kim loại nặng trong nước thải và nước sinh hoạt bằng phương pháp von - Ampe hòa tan anot xung vi phân

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM THÁI NGUYÊN -----  ----- TRƢƠNG VIỆT PHƢƠNG KHẢO SÁT, NGHIÊN CỨU, XÁC ĐỊNH HÀM LƢỢNG CÁC CATION KIM LOẠI NẶNG TRONG NƢỚC THẢI VÀ NƢỚC SINH HOẠT BẰNG PHƢƠNG PHÁP VON - AMPE HÒA TAN ANOT XUNG VI PHÂN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HOÁ HỌC THÁI NGUYÊN - 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM THÁI NGUYÊN -----  ----- TRƢƠNG VIỆT PHƢƠNG KHẢO SÁT, NGHIÊN CỨU, XÁC ĐỊNH HÀM LƢỢNG CÁC CATION KIM LOẠI NẶNG TRONG NƢỚC THẢI VÀ NƢỚC SINH HOẠT BẰNG PHƢƠNG PHÁP VON - AMPE HÒA TAN ANOT XUNG VI PHÂN Chuyên ngành : Hóa phân tích Mã số : 60. 44. 29 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HOÁ HỌC Cán bộ hƣớng dẫn khoa học Ts. Đặng xuân thƣ THÁI NGUYÊN – 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin đƣợc gửi tới thầy giáo - TS. Đặng Xuân Thƣ lời biết ơn chân thành và sâu sắc nhất. Thầy là ngƣời đã trực tiếp giao đề tài và tận tình chỉ bảo, hƣớng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô Khoa Hóa học, các anh chị và các bạn đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Và tôi cũng xin chân thành cảm ơn đơn vị cơ quan nơi tôi công tác đã tạo điều kiện để tôi học tập, nghiên cứu hoàn thành tốt bản luận văn. Cuối cùng tôi xin đƣợc cảm ơn những ngƣời thân yêu trong gia đình, đã luôn động viên, cổ vũ để tôi hoàn thành tốt luận văn của mình. Thái Nguyên, tháng 9 năm 2009 Học viên Trƣơng Việt Phƣơng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AAS Atomic AbsorptionSpectrometry Quang phổ hấp thụ nguyên tử AE Auxiliary Electrode Điện cực phụ trợ ASV Anodic Stripping Voltammetry Von – Ampe hòa tan anot CSV Cathodic Stripping Voltammetry Von - Ampe hòa tan catot CV Cyclic Voltammetry Von-ampe vòng DP Differential Pulse Xung vi phân DPASV Differential Pulse Anodic Stripping Voltammetry Hanging Mercury Drop Electrode DPP Differential pulse polarography Phƣơng pháp cực phổ xung vi phân HMDE Hanging Mercury Drop Electrode Điện cực giọt thủy ngân treo LOD Limit of detection Giới hạn phát hiện MFE Mercury Film Electrode Điện cực màng thủy ngân NPP Normal pulse polarography Phƣơng pháp cực phổ xung biến đổi đều RDE Rotating Disk Electrode Điện cực đĩa quay RE Reference Electrode Điện cực so sánh SMDE State Mercury Drop Electrode Điện cực giọt thuỷ ngân tĩnh SSE Solid State Electrode Điện cực rắn WE Workinh Electrode Điện cực làm việc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên MỤC LỤC MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................... 3 1.1 Giới thiệu chung về các kim loại nặng ............................................................... 3 1.2 Giới thiệu về đồng, chì, cadimi và kẽm. ............................................................. 3 1.2.1 Trạng thái tự nhiên, vai trò và hiệu ứng sinh hoá của đồng....................... 3 1.2.1.1 Trạng thái tự nhiên của đồng .............................................................. 3 1.2.1.2 Vai trò và hiệu ứng sinh hoá của đồng ............................................... 3 1.2.2 Trạng thái tự nhiên, vai trò và hiệu ứng sinh hoá của chì.......................... 4 1.2.2.1 Trạng thái tự nhiên của chì ................................................................ 4 1.2.2.2 Vai trò và hiệu ứng sinh hoá của chì .................................................. 4 1.2.3 Trạng thái tự nhiên, vai trò và hiệu ứng sinh hoá của cađimi .................... 5 1.2.3.1 Trạng thái tự nhiên của cađimi ........................................................... 6 1.2.3.2 Vai trò và hiệu ứng sinh hoá của cađimi............................................. 6 1.2.4 Trạng thái tự nhiên, vai trò và hiệu ứng sinh hoá của kẽm ........................ 7 1.2.4.1 Trạng thái tự nhiên của kẽm ............................................................... 7 1.2.4.2 Vai trò và hiệu ứng sinh hoá của kẽm ................................................ 8 1.3. Đặc tính điện hoá của Zn, Cd, Pb, Cu ............................................................... 8 1.4. Lý thuyết Phƣơng pháp cực phổ và von-ampe hoà tan (vaht) ............................ 9 1.4.1 Cơ sở lý thuyết phƣơng pháp cực phổ ....................................................... 9 1.4.1.2 Quá trình xảy ra trên điện cực giọt thuỷ ngân ................................... 10 1.4.1.3 Phƣơng trình Inkovich và điện thế nửa sang (thế bán sóng) ............. 12 1.4.2 Cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp von-ampe hòa tan. .............................. 14 1.4.2.1 Nguyên tắc chung của phƣơng pháp Von - Ampe hoà tan ................ 14 1.4.2.2 Cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp Von - Ampe hoà tan .................... 17 1.5. Ƣu điểm của phƣơng pháp Von-Ampe hoà tan. Các hƣớng ứng dụng, phát triển của phân tích điện hoá hoà tan. ..................................................................... 21 1.5.1. Ƣu điểm của phƣơng pháp Von-Ampe hoà tan trong việc xác định lƣợng vết các kim loại. .................................................................................... 21 1.5.2 Các hƣớng ứng dụng và phát triển của phân tích Von-Ampe hoà tan. ..... 22 1.6 Một số phƣơng pháp phân tích xác định lƣợng vết các kim loại nặng ............. 23 1.7 Sử dụng phƣơng pháp Von-Ampe hoà tan để phân tích lƣợng vết các kim loại nặng. ............................................................................................................... 24 1.7.1. Tình hình sử dụng phƣơng pháp Von-Ampe hoà tan ở nƣớc ngoài ........ 24 1.7.2 Tình hình sử dụng phƣơng pháp Von-Ampe hoà tan ở trong nƣớc ......... 24 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM ............................................................................. 25 2.1. Thiết bị, dụng cụ và hoá chất .......................................................................... 25 2.1.1 Dụng cụ ................................................................................................. 25 2.1.2. Thiết bị và máy móc ............................................................................. 25 2.1.3. Hoá chất ............................................................................................... 26 2.1.4 Phƣơng pháp đo ..................................................................................... 27 2.2. Kỹ thuật thực nghiệm ..................................................................................... 28 2.2.1. Cơ sở xây dựng một quy trình phân tích theo phƣơng pháp Von- Ampe hoà tan. ................................................................................................ 28 2.2.2. Nội dung nghiên cứu ............................................................................. 29 2.2.3. Xây dựng đƣờng chuẩn, đánh giá đƣờng chuẩn ..................................... 29 2.2.4. áp dụng vào phân tích trên mẫu thực tế. ................................................ 32 2.3. Quá trình phân tích ......................................................................................... 32 2.3.1. Lấy mẫu và bảo quản mẫu .................................................................... 32 2.3.2. Xử lí mẫu trƣớc khi phân tích .............................................................. 32 2.3.3. Tiến hành phân tích .............................................................................. 32 2.4. Xử lý kết quả thực nghiệm .............................................................................. 32 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................... 33 3.1. Điều kiện tối ƣu xác định kẽm, cađimi, chì, đồng ........................................... 33 3.1.1 Khảo sát ảnh hƣởng của môi trƣờng phân tích ....................................... 33 3.1.1.1 Khảo sát chọn nền điện li tối ƣu. ................................................................ 33 3.1.2. Khảo sát tìm các thông số kĩ thuật đo tối ƣu .......................................... 36 3.1.2.1. Khảo sát thế điện phân làm giàu tối ƣu ........................................... 36 3.1.2.2. Khảo sát tìm biên độ xung tối ƣu .................................................... 37 3.1.2.3. Khảo sát thời gian đặt xung tối ƣu ................................................... 39 3.1.2.4. Khảo sát tốc độ quét thế ................................................................. 40 3.1.2.5. Khảo sát thời gian điện phân làm giàu............................................. 41 3.1.2.6. Khảo sát kích thƣớc giọt thuỷ ngân ................................................. 43 3.1.2.7. Khảo sát tốc độ khuấy dung dịch .................................................... 45 3.1.2.8. Khảo sát tìm thời gian cân bằng tối ƣu ........................................... 46 3.1.3. Khảo sát ảnh hƣởng của các nguyên tố ................................................. 47 3.1.3.1. Khảo sát ảnh hƣởng của oxi hoà tan ................................................ 47 3.1.3.2. Khảo sát ảnh hƣởng của sắt, nhôm, niken ....................................... 49 3.1.4. Khảo sát ảnh hƣởng qua lại giữa các ion cần xác định đồng thời. .......... 52 3.1.4.1. Khảo sát ảnh hƣởng của Zn2+ tới các ion Cd2+, Pb2+, Cu2+ ............ 53 3.1.4.2. Khảo sát ảnh hƣởng của Cd2+ tới các ion Zn2+, Pb2+, Cu2+ ............ 54 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3.1.4.3. Khảo sát ảnh hƣởng của Pb2+ tới các ion Zn2+, Cd2+, Cu2+ ............ 54 3.1.4.4. Khảo sát ảnh hƣởng của Cu2+ tới các ion Zn2+, Cd2+, Pb2+ ............ 55 3.2. Khảo sát độ tin cậy của phép đo ...................................................................... 56 3.3. Xác Định hàm lƣợng các chất phân tích .......................................................... 57 3.3.1 Phƣơng pháp đƣờng chuẩn..................................................................... 58 3.3.1.1 Xây dựng đƣờng chuẩn của các ion kim loại cần xác định ............... 59 3.3.1.2. Kiểm tra đƣờng chuẩn ..................................................................... 59 3.3.1.3 Đánh giá độ chính xác của đƣờng chuẩn xác định hàm lƣợng các ion Zn2+, Cd2+, Pb2+, Cu2+ ......................................................................... 59 3.3.2. Phƣơng pháp thêm chuẩn ...................................................................... 63 3.3.2.1. Cơ sở của phƣơng pháp thêm chuẩn ................................................ 63 3.3.2.2. Kiểm tra độ chính xác của phƣơng pháp thêm chuẩn ...................... 64 3.3.2.3. So sánh sai số tƣơng đối tính theo phƣơng pháp đƣờng chuẩn và phƣơng pháp thêm chuẩn khi phân tích mẫu tự tạo ..................................... 65 3.4 áp dụng phƣơng pháp thêm chuẩn để xác định hàm lƣợng kẽm, cađimi, chì, đồng trong mẫu nƣớc sinh hoạt và nƣớc thải.......................................................... 65 3.4.1 Quy trình xử lý mẫu ............................................................................... 65 3.4.2 Phân tích mẫu và kết quả phân tích ....................................................... 66 3.4.2.1 Phƣơng pháp xử lý kết quả phân tích ............................................... 66 3.4.2.2 Kết quả xác định hàm lƣợng kẽm, cadimi, chì và đồng trong mẫu nƣớc. ........................................................................................................... 67 KẾT LUẬN ........................................................................................................... 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 84 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1 MỞ ĐẦU Hiện nay thế giới đang rung hồi chuông báo động về thực trạng ô nhiễm môi trƣờng toàn cầu. Môi trƣờng đã trở thành vấn đề chung của toàn nhân loại và đƣợc toàn thế giới quan tâm, cùng với sự nóng lên của trái đất gây hiệu ứng nhà kính và xuất hiện ngày một nhiều lỗ thủng trên tầng Ozon bảo vệ trái đất khỏi các tia cực tím. Nằm trong khung cảnh chung đó của thế giới môi trƣờng Việt Nam chúng ta xuống cấp cục bộ do chúng ta đang trong thời kỳ phát triển công nghiệp hóa, hiện đại hóa, đô thị hóa và sự tăng mật độ dân số quá nhanh ở các khu đô thị. Đi kèm với sự phát triển đó là vấn đề ô nhiễm môi trƣờng do các nguồn rác thải, nƣớc thải, khí thải gây ra. Tất cả các nguồn thải nói trên đều chứa đựng trong nó biết bao nhiêu loại chất độc hại. Các nguồn thải đƣợc đƣa ra môi trƣờng hầu hết đều chƣa đƣợc xử lý hoặc mới xử lý sơ bộ do vậy gây ra ô nhiễm môi trƣờng đặc biệt là môi trƣờng nƣớc. Những nguồn nƣớc thải, nƣớc thải từ các ngành công nghiệp mà trong đó có chứa rất nhiều kim loại nặng độc hại từ đó đi vào cống, rãnh, sông, hồ làm ô nhiễm các nguồn nƣớc là chủ yếu. Những kim loại nặng này đi vào cơ thể từ con đƣờng ăn uống, hô hấp chúng tích luỹ trong cơ thể con ngƣời và sinh vật gây ra những tác hại vô cùng nguy hiểm. Do vậy việc tìm ra các phƣơng pháp để xác định và tách loại kim loại nặng ra khỏi môi trƣờng nƣớc là vấn đề hết sức cần thiết và có ý nghĩa vô cùng quan trọng. Để xác định các kim loại nặng trong nƣớc nhiều phƣơng pháp đã đƣợc áp dụng cho những kết quả rất khả quan nhƣ: quang phổ hấp thụ nguyên tử, sắc ký ion, kích hoạt nơtron. Các phƣơng pháp này đều có độ nhạy và độ chính xác cao, tuy nhiên có nhƣợc điểm là thiết bị đắt tiền và chƣa phổ biến ở nƣớc ta. Phƣơng pháp cực phổ Von - Ampe hòa tan là phƣơng pháp có độ chính xác, độ nhạy cao, kỹ thuật phân tích lại không quá phức tạp, thiết bị phân tích đơn giản, thông dụng với các phòng thí nghiệm ở Việt Nam, sử dụng các hóa chất thông thƣờng, tốn ít hóa chất, có thể định lƣợng đồng thời lƣợng vết nhiều ion kim loại cùng có mặt trong dung dịch. Xuất phát từ thực tế trên, chúng tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu xác định hàm lượng một số cation kim loại nặng trong nước thải và nước sinh họat bằng phương pháp Von – Ampe hòa tan anot xung vi phân” Trong khuân khổ một luận văn thạc sỹ, chúng tôi tiến hành những công việc sau: - Nghiên cứu tìm các điều kiện tối ƣu nhƣ: Nồng độ nền, thế điện phân, thời gian điện phân, biên độ xung để xác định đồng thời các kim loại kẽm, cađimi, chì, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2 đồng bằng phƣơng pháp cực phổ Von - Ampe hoà tan trên điện cực giọt thuỷ ngân treo đạt độ chính xác thoả mãn - Khảo sát độ tin cậy của phép đo. - Xây dựng đƣờng chuẩn, đánh giá kiểm tra đƣờng chuẩn, đƣờng thêm chuẩn, so sánh sai số tƣơng đối của hai phƣơng pháp này. - Áp các điều kiện tối ƣu, phƣơng pháp thêm chuẩn vào phân tích một số mẫu thực tế. - Kết luận, đề xuất phƣơng án triển khai thực tế. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Giới thiệu chung về các kim loại nặng Kim loại nặng là thuận ngữ dùng để chỉ những kim loại có khối lƣợng riêng lớn hơn 5g/cm3. Chúng có thể tồn tại trong khí quyển (ở dạng hơi), thuỷ quyển (ở dạng muối hoà tan), địa quyển (ở dạng rắn không tan, khoáng, quặng) và sinh quyển (trong cơ thể ngƣờng, động vật, thực vật). Khi các kim loại nặng xâm nhập vào môi trƣờng sẽ làm biến đổi điều kiện sống, tồn tại của sinh vật trong môi trƣờng đó. Kim loại nặng gây độc hại với môi trƣờng và cơ thể sinh vật khi hàm lƣợng của chúng vƣợt quá tiêu chuẩn cho phép. Một số kim loại nặng (Pb, Cu, Zn, Mn, Cd, Hg, As) đi vào nƣớc từ nguồn nƣớc thải sinh hoạt hoặc nƣớc thải công nghiệp. Các kim loại nặng trong môi trƣờng pH khác nhau, chúng sẽ tồn tại những dạng khác nhau gây ô nhiễm nƣớc [3]. 1.2 Giới thiệu về đồng, chì, cadimi và kẽm.[5].[6] Đồng, chì, Cadimi, kẽm đều là các kim loại nặng khá phổ biến trên Trái đất. Đồng, Kẽm, Chì là các nguyên tố đƣợc con ngƣời biết tới từ thời thƣợng cổ (TrCN). Năm 1817 Cadimi mới đƣợc phát hiện bởi Friedrich Stromeyer (1778-1838) ngƣời Đức khi điều chế ZnO từ ZnCO3. 1.2.1 Trạng thái tự nhiên, vai trò và hiệu ứng sinh hoá của đồng 1.2.1.1 Trạng thái tự nhiên của đồng Trong tự nhiên, đồng là nguyên tố tƣơng đối phổ biến, chiếm khoảng 1.10-20 % khối lƣợng vỏ trái đất, vào khoảng 3.10-3 % tổng số nguyên tử.của vỏ trái đất. Đồng có thể tồn tại ở cả hai dạng hợp chất và dạng tự do, dạng tự do đƣợc gọi là kim loại tự sinh thƣờng có hàm lƣợng bé. Đồng có 11 đồng vị 58Cu đến 68Cu trong đó chủ yếu là 63Cu (69,1%) và 65Cu (30,9%). Phần lớn đồng tồn tại dƣới dạng hợp chất có trong các khoáng vật sunfua hay dạng oxi hoá (oxit, cacbonat). Một số khoáng vật chính của đồng là: Covelin(CuS) chứa 66,5% Cu, Cancopirit (CuFeS) chứa 34,57% Cu, Cancosin (Cu2 S) chứa 79,8% Cu, Bozit (Cu5FeS4), Crozocola (CuS2O3.nH2O), Calachit [Cu(OH)- 2CuCO3], Cuprit (Cu2O), Fenozit (CuO), Tetrahedrit (Cu8Sb2O7). Trong đất hàm lƣợng đồng có giá trị từ 2  100 mg/kg. Tại một số vùng đất trồng nho, cà chua, do sử dụng thuốc bảo vệ thực vật, hàm lƣợng đồng trong đất có thể đạt tới 600 mg/kg. 1.2.1.2 Vai trò và hiệu ứng sinh hoá của đồng Đồng là kim loại màu quan trọng đối với công nghiệp và kĩ thuật, khoảng trên 50% lƣợng đồng khai thác hàng năm đƣợc dùng sản xuất dây dẫn điện, trên 30% đƣợc dùng chế tạo hợp kim. Ngoài ra, do có khả năng dẫn nhiệt tốt và chịu ăn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4 mòn, đồng kim loại còn đƣợc dùng chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt, sinh hàn và chân không, chế tạo nồi hơi, ống dẫn dầu và dẫn nhiên liệu. Một số hợp chất của đồng đƣợc sử dụng làm chất màu trang trí mỹ thuật, chất liệu trừ nấm mốc và cả thuốc trừ sâu trong nông nghiệp. Đồng là nguyên tố vi lƣợng cần thiết trong cơ thể ngƣời, có nhiều vai trò sinh lí, nó tham gia vào quá trình tạo hồng cầu, bạch cầu và là thành phần của nhiều enzym. Đồng tham gia tạo sắc tố hô hấp hemoglobin. Các nghiên cứu y học cho thấy khi nồng độ đồng cao hơn mức cho phép một số ngƣời có dấu hiệu mắc bệnh do đồng lắng đọng trong gan, thận, não nhƣ bệnh về thần kinh schizophrenia. Ngƣợc lại khi nồng độ đồng quá thấp, cơ thể phát triển không bình thƣờng đặc biệt vói trẻ em [5]. Mọi hợp chất của đồng đều là những chất độc, khoảng 30g CuSO4 có khả năng gây chết ngƣời. Nồng độ an toàn của đồng trong nƣớc uống đối với con ngƣời dao động theo từng nguồn, khoảng 1,5  2mg/l. Lƣợng đồng đi vào cơ thể ngƣời theo đƣờng thức ăn mỗi ngày khoảng 2  4mg/l. 1.2.2 Trạng thái tự nhiên, vai trò và hiệu ứng sinh hoá của chì 1.2.2.1 Trạng thái tự nhiên của chì Trong tự nhiên, chì là kim loại khá phổ biến, chiếm khoảng 1,6.10-3 % khối lƣợng vỏ trái đất ứng với khoảng 1,6.10-4 % tổng số nguyên tử của vỏ trái đất. Chì có 18 đồng vị trong đó có 4 đồng vị bền: 208Pb (52,3%), 207Pb (22,6 %), 206Pb (23,6%), 204 Pb (1,48%). Chì tồn tại ở trạng thái oxi hoá 0, +2,+4 trong đó muối chì hoá trị 2 là bền và hay gặp nhất. Có khoảng170 khoáng vật của chì chủ yếu là: Galen(PbS), Cerndute(PbCO3), Anglesite (PbSO4) và pyromorphite [Pb5Cl(PO4)3]. Trong khí quyển chì tƣơng đối giàu hơn so với kim loại khác. Nguồn chính của chì phân tán trong không khí xuất phát từ quá trình đốt cháy các nhiên liệu xăng chứa chì. Chì đƣợc trộn thêm dƣới dạng Pb(CH3)4 và Pb(C2H5)4 cùng với các chất làm sạch 1,2- đicloetan và 1,2- đibrometan. Trong nƣớc, dạng tồn tại của chì là dạng Pb2+. Chì trong nƣớc máy có nguồn gốc tự nhiên chiếm tỷ lệ khiêm tốn, chủ yếu là từ đƣờng ống dẫn, các thiết bị tiếp xúc có chứa chì. 1.2.2.2 Vai trò và hiệu ứng sinh hoá của chì Chì đƣợc sử dụng để chế tạo pin, acquy chì - axit, hợ