Tải bản đầy đủ

Xác định hàm lượng một số kim loại nặng trong mẫu nước sinh hoạt ở xã cao quảng huyện tuyên hóa tỉnh quảng bình bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử

LỜI CẢM ƠN
Trước hết, em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy ThS. Trần Đức Sỹ, người
đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp, đồng thời
đã bổ sung nhiều kiến thức chuyên môn và kinh nghiệm cho em trong hoạt động nghiên
cứu khoa học.
Em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến qúy thầy cô trường Đại học Quảng Bình, đặc
biệt là qúy thầy cô bộ môn Hóa học, khoa Khoa học Tự nhiên đã giảng dạy và giúp đỡ em
trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và tạo mọi điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất
cũng như thời gian để giúp em hoàn thành bài khóa luận này.
Em xin chân thành cảm ơn tập thể cán bộ và nhân viên Trung tâm y tế dự phòng tỉnh
Quảng Bình đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ em trong quá trình thực hiện khóa luận.
Đồng thời, em cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, tập thể lớp ĐHSP Hóa
K56 đã động viên và giúp đỡ em trong quá trình học tập và hoàn thành khóa luận này.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng để thực hiện đề tài một cách hoàn chỉnh nhất, song do
điều kiện thực tế cũng như hạn chế về mặt kiến thức và kinh nghiệm nên có thể có những
sai sót mà bản thân em chưa nhìn thất được, rất mong nhận được sự đóng góp ýkiến từ
qúy thầy cô và các bạn để khóa luận của em hoàn chỉnh hơn.
Trân trọng cảm ơn!
Quảng Bình, tháng 5 năm 2018
Sinh viên


Trương Thị Thu Hương

1


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong bài khóa luận này là hoàn toàn
trung thực.Đây là công trình nghiên cứu của chính em thực hiện dưới sự hướng dẫn của
ThS. Trần Đức Sỹ.
Chúng tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về nội dung khoa học của công trình này.

Quảng Bình, tháng 5 năm 2018
Tác giả

Trương Thị Thu Hương

2


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. 1
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... 2
DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................... 5
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................ 6
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................................ 7
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 9
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ...................................................................... 11
1.1. Sơ lược về xã Cao Quảng ................................................................................... 11
1.2. Khái quát về nguồn nước ngầm ......................................................................... 12
1.2.1 Khái niệm nước ngầm ( nước dưới đất) ........................................................... 13
1.2.2 Một số đặc điểm và cấu trúc của nguồn nước ngầm ....................................... 13
1.2.3 Sự hình thành nước ngầm và các loại nước ngầm .......................................... 15
1.2.4 Tầm quan trọng của nước ngầm ..................................................................... 15
1.3. Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử ................................................................. 16
1.3.1. Cơ sở lí thuyết ................................................................................................. 16
1.3.2. Đối tượng chính và phạm vi áp dụng .............................................................. 16
1.3.3. Sự xuất hiện phổ hấp thụ nguyên tử ................................................................ 17
1.3.4. Nguyên tắc của phương pháp, thiết bị của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử ... 19
1.3.5. Cường độ vạch phổ ......................................................................................... 21


1.3.6. Cấu trúc vạch phổ ........................................................................................... 23
1.3.7. Ưu và nhược điểm của phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử ......................... 25
1.3.8. Các kĩ thuật nguyên tử hoá mẫu ..................................................................... 25
1.3.8.1. Kĩ thuật nguyên tử hoá mẫu bằng ngọn lửa ................................................. 26
1.3.8.2. Kĩ thuật nguyên tử hoá mẫu không ngọn lửa ............................................... 27
1.3.9. Một số yếu tố ảnh hưởng trong phép đo AAS ................................................. 28
1.4. Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử ..................................................................... 28
1.5. Phân tích định lượng bằng AAS. ........................................................................ 30
CHƯƠNG II. MỤC TIÊU – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................ 32
2.1. Mục tiêu .............................................................................................................. 32
3


2.2. Thiết bị và dụng cụ ............................................................................................. 32
2.3. Hóa chất ............................................................................................................. 32
2.4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................... 33
2.4.1. Phạm vi nghiên cứu ......................................................................................... 33
2.4.2. Chuẩn bị mẫu .................................................................................................. 33
2.4.3.Ghi chép lập hồ sơ khi lấy mẫu ........................................................................ 34
2.4.4. Xử lý sơ bộ, quản lý và bảo quản mẫu phân tích ............................................ 35
2.5. Tiến hành thí nghiệm .......................................................................................... 37
2.6. Phương pháp định lượng.................................................................................... 38
2.7.Kiểm soát chất lượng các phương pháp phân tích ............................................. 39
2.7.1. Độ đúng ........................................................................................................... 40
2.7.2. Độ lặp lại ......................................................................................................... 40
2.7.3. Xác định giới hạn phát hiện (LOD), giới hạn định lượng (LOQ) và độ nhạy 41
2.8. Xử lí số liệu thực nghiệm.................................................................................... 41
2.8.1. Tính sai số ....................................................................................................... 41
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN................................................................ 46
3.1. Xây dựng đường chuẩn, khảo sát giới hạn phát hiện, giới hạn định lượng ...... 46
3.1.1. Xây dựng, đánh giá đường chuẩn trong phép đo đồng................................... 46
3.1.2. Xây dựng, đánh giá đường chuẩn trong phép đo mangan .............................. 47
3.1.3. Giới hạn phát hiện và giới hạn định lượng của đường chuẩn ....................... 49
3.2. Kết quả phân tích hàm lượng kim loại đồng, mangan trong mẫu ..................... 51
3.3. So sánh hàm lượng kim loại đồng và mangan ................................................... 52
3.3.1. Vị trí lấy mẫu ................................................................................................... 52
3.3.2. Thời gian lấy mẫu ........................................................................................... 54
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 57
1. Kết luận ................................................................................................................. 57
2. Kiến nghị ............................................................................................................... 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO, PHỤ LỤC ........................................................................ 58

4


DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1. Thời gian lấy mẫu nước giếng khoan tại xã Cao Quảng .......................... 34
Bảng 2.2. Thông tin về các mẫu nước giếng khoan khu vực xã Cao Quảng ............ 35
Bảng 2.3. Điều kiện đo F-AAS xác định đồng, mangan trong nước giếng khoan ... 38
Bảng 2.4. Hàm lượng Me theo yếu tố khảo sát ......................................................... 42
Bảng 2.5. Kết quả phân tích ANOVA 1 chiều .......................................................... 43
Bảng 3.2. Bảng ANOVA đánh giá các hệ số phương trình hồi quy sự phụ thuộc độ
hấp thụ A vào nồng độ của đồng, với P = 0,95 ......................................................... 45
Bảng 3.3. Sự phụ thuộc của độ hấp thụ A vào nồng độ mangan .............................. 46
Bảng 3.4. Bảng ANOVA đánh giá các hệ số phương trình hồi quy sự phụ thuộc độ
hấp thụ A vào nồng độ của mangan,với P = 0,95 ..................................................... 47
Bảng 3.5. Bảng ANOVA đánh giá các hệ số phương trình hồi quy sự phụ thuộc độ
hấp thụ A vào nồng độ của mangan,với P = 0,95, b=0 ............................................. 47
Bảng 3.6. Các giá trị a, b, Sy, LOD, LOQ ................................................................ 49
Bảng 3.7. Kết quả phân tích hàm lượng kim loại Cu, Mn trong một số mẫu nước
sinh hoạt tại xã Cao Quảng – Huyện Tuyên Hóa ...................................................... 50
Bảng 3.8. Hàm lượng kim loại trong các mẫu nước của 4 thôn ............................... 52
Bảng 3.9. Kết quả phân tích hàm lượng đồng theo vị trí lấy mẫu (P=0,95) ............. 52
Bảng 3.10. Kết quả phân tích hàm lượng đồng theo vị trí lấy mẫu(P=0,95) ............ 53
Bảng 3.11. Hàm lượng kim loại (mg/l) trong các mẫu nước của 4 thôn theo hai đợt
lấy mẫu ...................................................................................................................... 53
Bảng 3.12. Kết quả phân tích hàm lượng đồng theo thời gian lấy mẫu(P=0,95) ..... 54
Bảng 3.13. Kết quả phân tích hàm lượng mangan theo thời gian lấy mẫu (P=0,95) 54

5


DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Cấu trúc của một tầng nước ngầm ............................................................ 15
Hình 1.2: Quá trình hấp thụ, phát xạ và huỳnh quang của một nguyên tử ............... 18
Hình 1.3: Sơ đồ khối của phổ kế hấp thụ nguyên tử (F-AAS) dùng ngọn lửa ......... 19
Hình 1.4: Mối quan hệ giữa cường độ vạch phổ A và nồng độ Cx .......................... 23
Hình 1.5: Sơ đồ cấu tạo máy đo phổ hấp thụ nguyên tử............................................29
Hình 1.6: Hệ thống máy hấp thụ nguyên tử AAS của hãng Analytik Jena (Đức) .... 30
Hình 2.1: Sơ đồ chung về QA/QC trong lấy mẫu và phân tích ................................ 37
Hình 3.1 : Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc độ hấp thụ A vào nồng độ đồng .............. 46
Hình 3.2 : Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc độ hấp thụ A vào nồng độ mangan ……..48

6


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Tiếng Việt

TT

Viết tắt

1

Mangan

Mn

2

Đồng

Cu

3

Độ lệch chuẩn tương đối

RSD

4

Giới hạn phát hiện

LOD

5

Giới hạn định lượng

LOQ

6

Phần triệu

Ppm

7

Quang phổ hấp thụ phân tử

UV- VIS

8

Quang phổ hấp thụ nguyên tử

AAS

9

Quang phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa

F-AAS

10

Đèn catot rỗng

HCL

11

Đèn phóng điện không cực

EDL

12

Đảm bảo chất lượng

QA

13

Kiểm soát chất lượng

QC

14

Mẫu đợt 1 chưa qua lọc

M11-M16

15

Mẫu đợt 1 đã qua lọc

M21-M23

16

Mẫu đợt 2 chưa qua lọc

M16-M110

17

Mẫu đợt 2 đã qua lọc

M26-M210

7


8


MỞ ĐẦU
Đặt vấn đề
Nước đóng vai trò vô cùng quan trọng trong đời sống con người và động,
thực vật. Nước không chỉ cần cho sự sống mà nó còn dùng trong sinh hoạt, sản xuất
nông nghiệp, sản xuất công nghiệp và toàn bộ những gì liên quan đến sự sống.
Trong khi đó với sư phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật và sự gia tăng
dân số, môi trường nước ngày càng bị ô nhiễm và cạn kiệt. Khi nguồn nước sạch trở
nên khan hiếm, nguồn nước ngầm sẽ được đưa vào thay thể để phục vụ cho nhu cầu
của sinh hoạt và sản xuất của con người. Cả nước hiện nay có khoảng gần 300 nhà
máy có sử dụng nước ngầm, cùng với đó là vô vàn các giếng đào, giếng khoan tự
phát của người dân vùng nông thôn tiếp cận với nguồn nước ngầm để phục vụ sản
xuất, tưới tiêu và sinh hoạt. Điều đáng lo ngại là các giếng khoan, giếng đào này
được người dân tự khai thác rồi đem vào sử dụng một cách tự do, chưa qua kiểm tra
chất lượng, vì vậy họ không nhận thấy được những tác hại về lâu dài của nó.
Theo rất nhiều chuyên gia môi trường, nước ngầm Việt Nam đang bị xâm hại
nghiêm trọng bởi những hóa chất độc hại từ những nhà máy, xí nghiệp, khu công
nghiệp và cả khu dân cư. Nước thải từ các nhà máy gây ảnh hưởng đến môi trường
nước, nước lại ngấm vào đất gây ô nhiễm môi trường đất. Khí thải từ các nhà máy,
xí nghiệp tích tụ trên bầu khí quyển, khi gặp mưa nó sẽ hòa tan và cuốn theo các
chất khí độc hại và rơi xuống đất. Chất thải nông nghiệp như phân bón hóa học,
thuốc bảo vệ thực vật và các chất thải rắn trên bề mặt mặt đât, khi gặp mưa cũng rỉ
rác ngấm xuống đất. Tổng hợp mọi nguồn chất bẩn đều được tích lũy vào đất khiến
cho nguồn nước ngầm trong lòng đất ngày càng ô nhiễm nặng nề, điều đó gây nên
rất nhiều nguy hại cho sức khỏe con người, có thể là trực tiếp cũng có thể là gián
tiếp thông qua lưới thức ăn.
Vì vậy việc điều tra, khảo sát hiện trạng môi trường nước là rất cần thiết, từ
đó đưa ra các giải pháp nhằm nâng cao chất lượng sử dụng, bảo vệ sức khỏe cộng
đồng.

9


Qua tìm hiểu thực tế, tại địa bàn xã Cao Quảng-Huyện Tuyên Hóa-Tỉnh
Quảng Bình, ngoài 1 phần nước sạch được lấy từ khe ông Cụ, thì phần lớn người
dân thường sử dụng nước giếng khoan để sinh hoạt. Vì điều kiện còn khó khăn nên
đa số nước lấy từ giếng lên được đưa vào sử dụng trực tiếp mà không qua xử lí bằng
bất cứ phương pháp lọc nào. Trong khi đó chỉ tiêu kim loại nặng là một trong những
chỉ tiêu quan trọng, đáng lưu tâm do có thể gây tác hại ở mức độ cao và lâu dài của
chúng.
Xuất phát từ các lí do trên chúng tôi chọn đề tài: “Xác định hàm lượng một
số kim loại nặng trong mẫu nước sinh hoạt ở xã Cao Quảng-huyện Tuyên Hóatỉnh Quảng Bình bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử”.
Trong giới hạn khóa luận tốt nghiệp,chúng tôi chọn đồng, mangan để nghiên
cứu cứu và đánh giá bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)

10


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Sơ lược về xã Cao Quảng [3]
Cao Quảng là một xã miền núi vùng cao, nằm về phía Đông Nam của huyện
Tuyên Hóa, tỉnh Quảng Bình.Xã nằm trong địa hình tiếp giáp với 3 huyện, thị trấn
và 8 xã. Phía Tấy Bắc giáp xã Phong Hóa, Đức Hóa, huyện Tuyên Hóa; phía Bắc
giáp xã Châu Hóa, huyện Tuyên Hóa; phía Đông Bắc giáp xã Văn Hóa, huyện
Tuyên Hóa; phía Nam giáp xã Quảng Sơn, thị trấn Ba Đồn; phía nam giáp xã Lâm
Trạch, Xuân Trạch, huyện Bố Trạch, phía tây giáp xã Tân Hóa, huyện Minh Hóa.
Xã có tổng diện tích tự nhiên 11,902 ha (119,02km2, bình quân 27
người/km2). Trong đó đất rừng tự nhiên và rừng trồng trên 10.000 ha (rừng trồng
kinh tế 1370 ha chủ yếu là keo lai) còn lại là đất sản xuấtvà đất khác (đất sản xuất
nông nghiệp và khả năng sản suất nông nghiệp 500 ha). Toàn xã có 905 hộ với tổng
dân số 3220 nhân khẩu(nữ 1850 khẩu, từ 14 tuổi trở lên có 2434 khẩu. Số liệu có
đến 31/3/2018). Xã được chia thành 9 thôn gồm: thôn Cao Cảnh, Chùa Bụt, Hợp
Tiến, Phú Xuân, Quảng Hòa, Sơn Thủy, Tiến Mại, Vĩnh Xuân và thôn Tân Tiến, các
thôn ở rải rác và cách trở nhau bở các khe suối,
Thu nhập chủ yếu của người dân là sản xuất nông nghiệp và trồng rừng kinh
tế, bình quân đầu người cuối năm 2017 là 19.000.000 đồng/người. Tổng sản lượng
lương thực năm 2017 khoảng 700 tấn.Toàn xã có 317 hộ nghèo chiếm tỷ lệ 35,42%.
1.2. Độc tính của các kim loại nặng
Kim loại nặng có Hg, Cd, Pb, As, Sb, Cr, Cu, Zn, Mn v.v... thường không
tham gia hoặc ít tham gia vào quá trình sinh hóa của cơ thể sinh vật, chúng được
tích lũy trong cơ thể sinh vật và là nguyên nhân gây ra các bệnh về thần kinh, quái
thai, vô sinh và ung thư… Ví dụ:
+ Đồng (Cu) thúc đẩy sự hấp thu và sử dụng sắt để tạo thành hemoglobin của
hồng cầu. Nếu thiếu đồng trao đổi sắt cũng sẽ bị ảnh hưởng, nên sẽ bị thiếu máu và
sinh trưởng chậm. Ngoài ra, đồng còn tham gia vào việc sản xuất năng lượng, tạo
melanin (sắc tố màu đen ở da), ôxy hóa acid béo. Đồng cần thiết cho chuyển hóa sắt
11


và lipid, có tác dụng bảo trì cơ tim, cần cho hoạt động của hệ thần kinh và hệ miễn
dịch, góp phần bảo trì màng tế bào hồng cầu, góp phần tạo xương và biến năng
Cholesterol thành vô hại. Trong cơ thể người có khoảng từ 80mg đến 99,4 mg đồng.
Hiện diện trong bắp thịt, da, tủy xương, xương, gan và não bộ. Thiếu đồng gây thiếu
máu, tăng cholesterol và sự phát triển bất thường ở xương.. Thiếu đồng còn gây
dung nạp kém glucose. Thiếu đồng khi mang thai có thể khiến thai chậm phát triển
hoặc phát triển bất thường. Là một bệnh hiếm (1/100.000), bệnh Menkes là do đột
biến gen trên nhiễm sắc thể X, khiến nồng độ đồng và ceruloplasmin trong máu
thấp, trong khi niêm mạc ruột, cơ, lách và thận lại tích lũy nhiều đồng [6].
+ Mangan (Mn) là kim loại đầu tiên được Gabriel Bertrand xem như nguyên
tố vi lượng cơ bản đối với sự sống. Mangan duy trì hoạt động của một số men quan
trọng, tăng cường quá trình tạo xương và mô, ảnh hưởng đến sự tạo thành hoocmon
tuyến yên, vitamin B1 và vitamin C cần thiết cho quá trình tổng hợp protein, làm giảm
lượng đường trong máu nên tránh được bệnh tiểu đường. Nếu thiếu hụt mangan sẽ làm
giảm quá trình đông máu và tăng lượng cholestorol, ảnh hưởng đến sự chuyển giao
thông tin di truyền. Sự chuyển hóa mangan bất thường có thể gây ra bệnh tiểu đường,
bệnh béo phì...Tuy nhiên, nếu hàm lượng mangan vượt quá mức cho phép sẽ dẫn đến
hiện tượng ngộ độc, gây rối loạn hoạt động thần kinh với biểu hiện rung giật kiểu
Parkinson. Ngoài ra, mangan còn kích thích chuyển hóa chất béo, giảm cholesterol
góp phần ngăn ngừa xơ vữa động mạch [7].
+ Bên cạnh đó còn có một số kim loại khác như: asen (As) thường tích tụ
trong các tầng nước ngầm, nó không gây ra mùi vị khó chịu vì vậy chúng ta không
thể cảm nhận nó bằng các giác quan. Tuy vậy asen là một kim loại rất độc, khi
chúng xâm nhập vào cơ thể ở cả hàm lượng rất thấp cũng sẽ gây ra các bệnh như:
hoại tử các vết loét ở tay, chân, làm rối loạn sắc tố da, sừng hóa gan bàn tay và là
nguyên nhân của chứng đen da, thậm chí liên quan đến bệnh tiểu đường, tim mạch,
ung thư da, chủ yếu dưới dạng u ác tính yếu khi hàm lượng asen tích lũy trong cơ
thể cao [5].
Vì vậy việc đánh giá hàm lượng đồng và mangan trong môi trường nước sinh
hoạt là cần thiết.
1.3. Khái quát về nguồn nước ngầm [1]
12


1.3.1 Khái niệm nước ngầm ( nước dưới đất)
Nước ngầm là một dạng nước dưới đất, tích trữ trong các lớp đất đá trầm tích
bở rời như cặn, sạn, cát, bột kết, trong các khe nứt, hang caxtơ dưới bề mặt trái đất,
có thể khai thác cho các hoạt động sống của con người. Theo độ sâu phân bố, có thể
chia nước ngầm thành nước ngầm tầng mặt và nước ngầm tầng sâu. Đặc điểm chung
của nước ngầm là khả năng di chuyển nhanh trong các lớp đất xốp, tạo thành dòng
chảy ngầm theo địa hình. Có hai loại nước ngầm: Nước ngầm tầng mặt và nước
ngầm tầng sâu. Nước ngầm tầng mặt không có lớp ngăn cách với bề mặt địa hình
nên rất dễ bị ô nhiễm. Nước ngầm tầng sâu thường nằm trong lớp đất đá xốp được
ngăn cách bên trên và phía dưới bởi các lớp không thấm nươc.
1.3.2 Một số đặc điểm và cấu trúc của nguồn nước ngầm
1.3.2.1 Đặc điểm
- Đặc điểm thứ nhất: Nước ngầm tiếp xúc trực tiếp và hoàn toàn với đất và
nham thạch: nước ngầm có thể là các màng mỏng bao phủ các phần tử nhỏ bé của
đất, nham thạch; là chất lỏng được chứa đầy trong các ống mao dẫn nhỏ bé giữa các
hạt đất, đá; nước ngầm có thể tạo ra các tia nước nhỏ trong các tầng ngấm nước;
thậm chí nó có thể tạo ra khối nước ngầm dày trong các tầng đất, nham thạch.
Thời gian tiếp xúc của nước ngầm với đất và nham thạch lại rất dài nên tạo
điều kiện cho các chất trong đất và nham thạch tan trong nước ngầm. Như vậy thành
phần hoá học của nước ngầm chủ yếu phụ thuộc vào thành phần hoá học của các
tầng đất, nham thạch chứa nó.
- Đặc điểm thứ 2: Các loại đất, nham thạch của vỏ quả đất chia thành các
tầng lớp khác nhau. Mỗi tầng, lớp đó có thành phần hoá học khác nhau. Giữa các
tầng, lớp đất, nham thạch thường có các lớp không thấm nước. Vì vậy nước ngầm
cũng được chia thành các tầng, lớp khác nhau và thành phần hoá học của các tầng
lớp đó cũng khác nhau.
- Đặc điểm thứ 3: Ảnh hưởng của khí hậu đối với nước ngầm không đồng
đều.
13


Nước ngầm ở tầng trên cùng, sát mặt đất chịu ảnh hưởng của khí hậu. Các
khí hoà tan trong tầng nước ngầm này do nước mưa, nước sông, nước hồ… mang
đến. Thành phần hoá học của nước ngầm của tầng này chịu ảnh hưởng nhiều của
thành phần hoá học nước mặt do đó cũng chịu ảnh hưởng nhiều của khí hậu.
Trái lại, nước ngầm ở tầng sâu lại ít hoặc không chịu ảnh hưởng của khí hậu.
Thành phần hoá học của nước ngầm thuộc tầng này chịu ảnh hưởng trực tiếp của
thành phần hoá học tầng nham thạch chứa nó.
- Đặc điểm thứ 4: Thành phần của nước ngầm không những chịu ảnh hưởng
về thành phần hoá học của tầng nham thạch chứa nó mà còn phụ thuộc vào tính chất
vật lý của các tầng nham thạch đó.
Ở các tầng sâu khác nhau, nham thạch có nhiệt độ và áp suất khác nhau nên
chứa trong các tầng nham thạch đó cũng có nhiệt độ và áp suất khác nhau.
Vì vậy nước ngầm ở các tầng rất sâu có thể có áp suất hàng ngàn N/m2 và
nhiệt độ có thể lớn hơn 3730K.
- Đặc điểm thứ 5: Nước ngầm ít chịu ảnh hưởng của sinh vật nhưng chịu ảnh
hưởng nhiều của vi sinh vật.
Ở các tầng sâu do không có Oxy và ánh sáng nên vi sinh vật yếm khí hoạt
động mạnh, chi phối nhiều nên thành phần hóa học của nước ngầm. Vì vậy thành
phần hoá học của nước ngầm chứa nhiều chất có nguồn gốc vi sinh vật.

14


1.3.2.2 Cấu trúc của một tầng nước ngầm

Hình 1.1: Cấu trúc của một tầng nước ngầm
Cấu trúc của một tầng nước ngầm được chia ra thành các tầng như sau:
- Tầng đất
- Bề mặt trên gọi là mực nước ngầm hay gương nước ngầm.
- Viền mao dẫn: là lớp nước mao dẫn phát triển ngay trên mặt nước ngầm.
- Tầng nước ngầm: vùng chứa nước ngầm.
1.3.3 Sự hình thành nước ngầm và các loại nước ngầm
Nước trên mặt đất và trong ao, hồ, sông, biển gặp ánh sáng mặt trời bốc hơi
thành hơi nước bay lên không trung, gặp lạnh hơi nước sẽ kết lại thành hạt to và rơi
xuống thành mưa. Nước mưa rơi xuống mặt đất một phần chảy xuống sông, ao, hồ...
một phần bốc hơi qua mặt đất, mặt nước và sự bốc thoát hơi qua lá, một phần ngấm
dần xuống mặt đất đến tầng đất không thấm sẽ tích tụ lại thành nước ngầm.
1.3.4 Tầm quan trọng của nước ngầm
- Nước ngầm phục vụ cho sinh hoạt như: ăn, uống, tắm giặt, sưởi ấm….
15


- Nước ngầm phục vụ cho nông nghiệp: tưới hoa màu, cây ăn quả, các cây
có giá trị kinh tế cao.
- Con người có thể sử dụng nguồn nước ngầm để mở rộng các hoạt động sản
xuất công nghiệp.
- Nước ngầm có chất lượng tốt còn được sử dụng để chữa bệnh. Nước ngầm
phục vụ cho sinh hoạt sẽ giảm hẳn các bệnh do nguồn nước mặt bị ô nhiễm như:
đường ruột, bệnh phụ khoa, bệnh ngoài da…
- Sử dụng nước ngầm giúp con người được giải phóng sức lao động do phải
lấy nước xa nhà, tiết kiệm chi phí “đổi nước”, tiết kiệm thời gian nâng cao hiệu quả
sản xuất.
1.4. Phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử [4, 9]
Trong khoảng 10 năm trở lại đây phương pháp này đã được sử dụng để xác
định các kim loại trong các mẫu quặng, đất, đá, nước khoáng, y học, sinh học, các
sản phẩm nông nghiệp, rau quả, thực phẩm…có thể nói phương pháp phổ hấp thụ
nguyên tử đã trở thành một phương pháp tiêu chuẩn để định lượng nhiều kim loại.

1.4.1. Cơ sở lí thuyết
Phép đo AAS dựa trên cơ sở lí thuyết là sự hấp thụ năng lượng (bức xạ đơn
sắc) của các nguyên tử tự do ở trạng thái hơi khi chiếu chùm tia bức xạ đơn sắc qua
đám hơi của nguyên tố ấy trong môi trường hấp thụ.
1.4.2. Đối tượng chính và phạm vi áp dụng
Đối tượng chính của phương pháp phân tích theo phổ hấp thụ nguyên tử là
phân tích lượng nhỏ (lượng vết) các kim loại trong các loại mẫu khác nhau của chất
hữu cơ và vô cơ. Với các trang bị và kĩ thuật hiện nay bằng phương pháp này người
ta có thể định lượng được hầu hết các kim loại (khoảng 70 nguyên tố) và một số phi
kim đến giới hạn nồng độ cỡ ppm (microgram, 10-6g) bằng kĩ thuật F-AAS, đến
nồng độ ppb (nanogam, 10-9g) bằng kĩ thuật ETA-AAS với sai số  15% .Với đối
tượng đó, phương pháp phân tích này được sử dụng để xác định các kim loại trong
16


các mẫu quặng, đất, đá, nước, khoáng, các mẫu của y học, sinh học, các sản phẩm
nông nghiệp, rau quả, thực phẩm, các nguyên tố vi lượng trong phân bón, trong thức
ăn gia súc,…
- Đây là phương pháp tiêu chuẩn để định lượng nhiều nguyên tố.
- Xác định một số á kim và phi kim như: Si, P, S, Se, Te. Các phi kim như C,
Cl, O, N không xác định được bằng AAS vì các vạch phân tích của các nguyên tố
này nằm ngoài vùng phổ của máy AAS (190-900nm).
- Một số chất được xác định bằng phương pháp gián tiếp do các chất này
không có phổ hấp thụ nguyên tử (nhờ phản ứng hóa học trung gian có tính chất định
lượng như phản ứng kết tủa, tạo phức,…).
1.4.3. Sự xuất hiện phổ hấp thụ nguyên tử
Như chúng ta đã biết, vật chất được cấu tạo bởi các nguyên tử và nguyên tử là
phần tử cơ bản nhỏ nhất còn giữ được tính chất của nguyên tố hoá học. Trong điều kiện
bình thường nguyên tử không thu và cũng không phát ra năng lượng dưới dạng các bức
xạ. Lúc này nguyên tử tồn tại ở trạng thái cơ bản. Đó là trạng thái bền vững và nghèo
năng lượng nhất. Nhưng khi nguyên tử ở trạng thái hơi tự do, nếu chúng ta chiếu một
chùm tia sáng có những bước sóng (hay tần số) xác định vào đám hơi nguyên tử đó, thì
các nguyên tử tự do đó sẽ hấp thụ các bức xạ có bước sóng nhất định ứng đúng với
những tia bức xạ mà nó có thể phát ra được trong quá trình phát xạ của nó. Lúc này
nguyên tử đã nhận năng lượng của các tia bức xạ chiếu vào nó và nó chuyển lên trạng
thái kích thích có năng lượng cao hơn trạng thái cơ bản. Đó là tính chất đặc trưng của
nguyên tử ở trạng thái hơi. Quá trình đó được gọi là quá trình hấp thụ năng lượng của
nguyên tử tự do ở trạng thái hơi và tạo ra phổ hấp thụ nguyên tử. Phổ sinh ra trong quá
trình này được gọi là phổ hấp thụ nguyên tử.
Nếu gọi năng lượng của nguồn bức xạ điện tử đã bị nguyên tử hấp thụ là E thì
ta có:

E = Em - E0 = hv

hay E  h

c



17


Trong đó: E0 và E m là năng lượng của nguyên tử ở trạng thái cơ bản và
trạng thái kích thích m; h là hằng số Planck; c là tốc độ ánh sáng trong chân
không;  là độ dài sóng của bức xạ hấp thụ.
Như vậy, ứng với mỗi giá trị năng lượng Ei mà nguyên tử đã hấp thụ
ta sẽ có một vạch phổ hấp thụ với độ dài sóng  đặc trưng cho quá trình đó,
nghĩa là phổ hấp thụ nguyên tử là phổ vạch.
Quá trình hấp thụ chỉ xảy ra đối với các vạch phổ nhạy, các vạch phổ đặc
trưng và các vạch phổ cuối cùng của các nguyên tố.
Nếu kích thích nguyên tử bằng năng lượng Em ta có phổ phát xạ nguyên tử,
bằng chùm tia đơn sắc ta có phổ hấp thụ nguyên tử.
Trong phép đo phổ hấp thụ nguyên tử, đám hơi nguyên tử của mẫu trong ngọn
lửa hay trong cuvet graphit là môi trường hấp thụ bức xạ (hấp thụ năng lượng của tia
bức xạ). Phân tử hấp thụ năng lượng của tia bức xạ hv và các nguyên tử tự do trong
đám hơi nguyên tử đó. Do đó muốn có phổ hấp thụ nguyên tử, trước hết phải tạo ra
được đám hơi nguyên tử tự do, sau đó chiếu vào nó một chùm tia sáng có những bước
sóng nhất định ứng với các tia phát xạ nhạy của nguyên tố cần nghiên cứu. Khi đó các
nguyên tử tự do sẽ hấp thụ năng lượng của chùm tia đó và tạo ra phổ hấp thụ nguyên
tử (AAS)

Em
+h
(photon)

-h
(photon)

+ E
(nhiệtt)

+h 
(photon)

-h 
(photon)

E0
Hấ p thụ

Phát xạ

Huỳnh quang

Hình 1.2: Quá trình hấp thụ, phát xạ và huỳnh quang của một nguyên tử
18


Trong đó:
+ Eo: Mức năng lượng ở trạng thái cơ bản.
+ Em: Mức năng lượng ở trạng thái kích thích.
+ E : Năng lượng nhận vào (kích thích).
+ (+hυ): Photon kích thích.
+ (-hυ): Photon phát xạ.
1.4.4. Nguyên tắc của phương pháp, thiết bị của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử
Thiết bị cần có: Nguồn bức xạ điện tử đơn sắc (đèn catot rỗng) HCL (Hollow
Cathode Lamp); đèn đốt hỗn hợp khí nhiên liệu và khí oxi hóa, máy tạo bức xạ điện
tử đơn sắc (bằng lăng kính hay cách tử), detector quang và cấu trúc ghi phổ.

Ngọn lửa

Io
1

3

4

5

I
2

Hình 1.3: Sơ đồ khối của phổ kế hấp thụ nguyên tử (F-AAS) dùng ngọn lửa
Trong đó:
1. Nguồn bức xạ đơn sắc (HCL);
2. Đèn;
3. Máy tạo bức xạ điện tử đơn sắc;
4. Detector quang;
5. Cấu trúc ghi phổ.
Muốn thực hiện được phép đo phổ hấp thụ nguyên tử của một nguyên tố cần
phải thực hiện các quá trình sau:
1. Chọn các điều kiện và một loại thiết bị phù hợp để chuyển mẫu phân tích
từ trạng thái ban đầu (rắn hay dung dịch) thành trạng thái hơi của các nguyên tử tự
do. Đó là quá trình hóa hơi và nguyên tử hóa mẫu.
19


2. Chiếu chùm tia sáng bức xạ đặc trưng của nguyên tố cần phân tích qua
đám hơi nguyên tử tự do vừa điều chế được ở trên. Ở đây, phần cường độ của chùm
tia sáng đã bị một loại nguyên tử hấp thụ là phụ thuộc vào nồng độ của nó trong môi
trường hấp thụ. Nguồn cung cấp chùm tia sáng phát xạ của nguyên tố cần phân tích
được gọi là nguồn phát xạ đơn sắc hay phát xạ cộng hưởng.
3. Hệ thống máy quang phổ người ta thu toàn bộ chùm sáng, phân li và chọn
vạch phổ hấp thụ nguyên tử đặc trưng của nguyên tố cần nghiên cứu để đo cường độ
của nó. Cường độ đó chính là tín hiệu hấp thụ nguyên tử của vạch phổ hấp thụ
nguyên tử. Trong một giới hạn nhất định của nồng độ C giá trị ảnh hưởng cường độ
này phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ C của nguyên tố trong mẫu phân tích theo
phương trình :

A  K  .l.C  lg

I0
I

Trong phép đo phổ hấp thụ nguyên tử thường dùng chủ yếu 4 loại nguồn
phát tia bức xạ đơn sắc là:
- Đèn catot rỗng.
- Đèn phóng điện không điện cực.
- Đèn phát phổ liên tục đã được biến điệu (D 2 – Lamp, W – Lamp).
- Các loại nguồn đơn sắc khác.
Trong các loại đèn trên, đèn HCL được dùng phổ biến nhất. Đèn HCL chỉ
phát ra những tia phát xạ nhạy của nguyên tố kim loại làm catot rỗng. Các vạch phát
xạ của một nguyên tố thường là các vạch cộng hưởng. Do vậy đèn catot rỗng cũng
được gọi là nguồn phát tia bức xạ cộng hưởng. Nó là phổ phát xạ của nguyên tố
trong môi trường khí kém.
Về cấu tạo, đèn catot rỗng gồm 3 bộ phận chính:
1. Thân đèn và cửa sổ S (thủy tinh hay thạch anh, trong suốt vùng UV-VIS);
2. Các điện cực anot và catot;
3. Khí chứa trong đèn (khí trơ: He, Ar hay Ne).
Anot: W, Pt; catot: ống rỗng, đường kính 3-5mm, chiều dài 5-6mm từ kim
loại cần phân tích (99,9%).
20


Nguồn nuôi đèn: đèn được đốt nóng đỏ để phát ra chùm tia phát xạ cộng
hưởng nhờ nguồn điện một chiều ổn định (thế 200-220V và I = 3-50mA).
Cơ chế làm việc của đèn HCL: Khi đèn HCL làm việc, catot được nung đỏ, giữa
catot và anot xảy ra sự phóng điện liên tục. Do sự phóng điện đó (U = 300-350V) mà một
số phân tử khí trơ bị ion hóa. Các ion khí trơ vừa được sinh ra sẽ tấn công vào catot làm
bề mặt catot nóng đỏ và một số nguyên tử kim loại trên bề mặt catot bị hóa hơi và nó trở
thành những kim loại tự do. Khi đó dưới tác dụng của nhiệt độ trong đèn HCL đang được
đốt nóng đỏ, các nguyên tử kim loại này bị khích thích và phát ra phổ phát xạ của nó. Đó
chính là phổ vạch của chính kim loại làm catot rỗng. Nhưng vì điều kiện đặc biệt của môi
trường khí trơ có áp suất rất thấp, nên phổ phát xạ đó chỉ bao gồm các vạch nhạy của kim
loại mà thôi. Đó chính là sự phát xạ của kim loại trong môi trường khí kém. Chùm tia
phát xạ này là tia đơn sắc chiếu qua môi trường hấp thụ để thực hiện phép đo phổ hấp thụ
nguyên tử.
Thường dùng đèn đơn nguyên tố (phát xạ 1 nguyên tố). Ngoài ra còn dùng
đèn hai nguyên tố (Cu + Mg), (Cu + Cr), (Co + Ni), (K + Na), (Cu + Pb), đèn ba
nguyên tố (Cu + Pb +Zn), đèn sáu nguyên tố (Cu + Mn + Cr + Fe + Co + Ni). Tuy
nhiên, những đèn đơn có độ nhạy cao nhất.
1.4.5. Cường độ vạch phổ
Nghiên cứu sự phụ thuộc cường độ dòng ánh sáng bị hấp thụ của một nguyên
tố vào nồng độ C của nguyên tố đó trong mẫu phân tích, người ta thấy rằng trong
phổ hấp thụ nguyên tử vùng nồng độ C nhỏ, mối quan hệ giữa cường độ của tia sáng
bị hấp thụ và nồng độ của nguyên tố đó trong đám hơi tuân theo định luật LambertBeer, nghĩa là nếu chiếu một chùm sáng cường độ ban đầu là Io qua đám hơi nguyên
tử tự do của nguyên tố phân tích nồng độ là N và bề dày L (cm), cường độ chùm
sáng đi ra khỏi đám hơi là I, thì chúng ta có:
A = lg

I0
= KaNL
I

Trong đó Ka là hệ số hấp thụ nguyên tử đặc trưng cho từng bước sóng của
ánh sáng bị hấp thụ và bản chất của nguyên tử. Độ hấp thụ quang A phụ thuộc vào
21


nồng độ nguyên tử N và vào bề dày L của lớp hấp thụ. Trong máy đo phổ hấp thụ, L
cố định nên A chỉ còn phụ thuộc N trong môi trường hấp thụ.
Tức là:

A = KN

Trong đó K là hệ số thực nghiệm, phụ thuộc vào: Ka, bề dày lớp hấp thụ và
vào nhiệt độ của môi trường hấp thụ.
Giữa N và nồng độ C của nguyên tố trong mẫu có mối quan hệ với nhau rất
phức tạp, nó phụ thuộc vào các điều kiện nguyên tử hoá mẫu, thành phần vật lí, hoá
học của mẫu phân tích và được tính theo biểu thức sau:
F .W.s.n Ro
21
N = 3.10 Q.T .nT Cb
Đây là công thức tổng quát tính giá trị N trong ngọn lửa nguyên tử hoá mẫu
theo Winefordner và Vicker. Trong đó :
F là tốc độ dẫn mẫu vào hệ thống nguyên tử hoá (ml/phút).
W là hiệu suất aerosol hóa mẫu.
s là hiệu suất nguyên tử hoá.
nRo là số phần tử khí ở nhiệt độ ban đầu, To( K).
nT là số phân tử khí ở nhiệt độ T (K) của ngọn lửa nguyên tử hoá.
Q là tốc độ của dòng khí mang mẫu vào buồng aerosol hoá (lít/phút).
C là nồng độ của nguyên tố phân tích có trong dung dịch mẫu.
Nhiều kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng, trong một giới hạn nhất định của
nồng độ C, mối quan hệ giữa N và C được biểu thị bằng biểu thức:N= KiCb
Trong đó Ki là hằng số thực nghiệm, nó phụ thuộc vào tất cả các điều kiện
hoá hơi và nguyên tử hoá mẫu, b được gọi là hằng số bản chất, nó phụ thuộc vào
nguyên tố và bước sóng của dòng sáng, b ≤ 1; b=1 khi nồng độ C nhỏ và ứng với
mỗi vạch phổ của mỗi nguyên tố phân tích ta luôn luôn tìm được một giá trị Cx = Co
để b ban đầu nhỏ hơn 1, nghĩa là ứng với:
+ Vùng nồng độ Cx < Co thì b=1: Cường độ vạch phổ và nồng độ Cx là tuyến
tính.
+ Vùng nồng độ Cx > Co thì 0 giữa cường độ vạch phổ và nồng độ Cx là không tuyến tính nữa.
22







Hình 1.4: Mối quan hệ giữa cường độ vạch phổ A và nồng độ Cx
AB: vùng tuyến tính (b=1), BC: vùng không tuyến tính (b <1)
1.4.6. Cấu trúc vạch phổ
Độ rộng của vạch phổ hấp thụ được xác định bởi nhiều yếu tố và nó là tổng
của nhiều độ rộng riêng phần của các yếu tố khác nhau.
Độ rộng toàn phần của vạch phổ hấp thụ:
Ht = Hn + Hd + HL +Hc
Trong đó:
Hn: độ rộng tự nhiên
Hd: độ rộng kép
HL: độ rộng Lorenz
Hc: độ rộng của cấu trúc tinh vi
* Độ rộng tự nhiên Hn: Độ rộng này được quyết định bởi hiệu số của bước
chuyển giữa hai mức năng lượng của nguyên tử ở trạng thái cơ bản và trạng thái
kích thích. Độ rộng này phụ thuộc vào thời gian lưu của nguyên tử ở trạng thái kích
thích và được tính theo công thức:
H n=

1
2t m

23


Trong đó tm là thời gian của nguyên tử ở trạng thái kích thích m.
Đa số các trường hợp độ rộng tự nhiên của vạch phổ hấp thụ
không vượt quá 1.10 - 3 cm - 1.
* Độ rộng kép Hd: Độ rộng này được quyết định bởi sự chuyển động nhiệt
của nguyên tử tự do trong môi trường hấp thụ theo hướng cùng chiều hay ngược
chiều với chuyển động của phôton trong môi trường đó. Vì thế nó phụ thuộc nhiều
vào nhiệt độ của môi trường hấp thụ. Một cách gần đúng độ rộng kép được tính theo
công thức:
H d = 1,76.10 5  0

T
M

Trong đó: T là nhiệt độ của môi trường hấp thụ (K), M là nguyên tử lượng
của nguyên tố hấp thụ bức xạ và  0 là tần số trung tâm của vạch phổ hấp thụ.
Độ rộng này của hầu hết các vạch phổ hấp thụ nguyên tử thường nằm trong
khoảng từ n.10-3 cm-1 đến n.10-1 cm-1.
* Độ rộng Lorenz HL: Độ rộng này được quyết định bởi sự tương tác của các
phần tử khí có trong môi trường hấp thụ với sự chuyển mức năng lượng của nguyên
tử hấp thụ bức xạ ở trong môi trường hấp thụ đó.
Độ rộng Lorenz được tính theo công thức:
H L = 12,04.1023.P.  2

2 1 1
(  )
RT A M

Trong đó P là áp lực khí và M là phân tử lượng của khí đó trong môi trường hấp
thụ.
* Độ rộng của cấu trúc tinh vi Hc: Khi đám hơi nguyên tử hấp thụ năng lượng
được đặt trong một từ trường hay trong một điện trường thì yếu tố này thể hiện rõ.
Công thức trên là công thức tổng quát đầy đủ cho độ rộng của vạch phổ hấp thụ
nguyên tử. Nhưng trong thực tế của phép đo phổ hấp thụ nguyên tử khi không có tác
dụng của từ trường ngoài và với các máy quang phổ có độ tán sắc nhỏ hơn 2 Ao/ mm, thì
lí thuyết và thực nghiệm chỉ ra rằng: độ rộng chung của một vạch hấp thụ chỉ do ba thành
phần đầu (chiếm 95%) của biểu thức quyết định, nghĩa là:
Ht = H n + H d + H L
24


Điều này hoàn toàn đúng đối với các vạch phổ cộng hưởng trong điều kiện
môi trường hấp thụ có nhiệt độ từ 1600-3500oC và áp suất 1atm.
Phương pháp nguyên tử hóa mẫu không ngọn lửa có độ nhạy rất cao.
1.4.7. Ưu và nhược điểm của phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử
1.3.7.1. Ưu điểm
Phép đo có độ nhạy và độ chọn lọc cao nên được sử dụng rộng rãi trong
nhiều lĩnh vực để xác định vết các kim loại, đặc biệt trong phân tích các nguyên tố
vi lượng.
Do có độ nhạy cao nên trong nhiều trường hợp không cần làm giàu nguyên tố
xác định trước khi phân tích.
Có thể xác định đồng thời hay liên tiếp nhiều nguyên tố trong một mẫu. Các
kết quả phân tích ổn định, sai số nhỏ (  15%).
1.3.7.2. Nhược điểm
Phải có một hệ thống máy đắt tiền.Vì có độ nhạy cao nên sự nhiễm bẩn có
thể ảnh hưởng đến kết quả phân tích hàm lượng vết.Vì thế môi trường trong phòng
thí nghiệm phải không có bụi, các dụng cụ phải sạch, có độ chính xác tiêu chuẩn và
hoá chất phải có độ tinh khiết cao.
Phương pháp chỉ cho biết thành phần nguyên tố mà không cho biết trạng thái
liên kết trong mẫu.Vì thế đây chỉ là phương pháp phân tích nguyên tố.
1.4.8. Các kĩ thuật nguyên tử hoá mẫu
Nguyên tử hoá mẫu phân tích là một công việc hết sức quan trọng của phép
đo phổ hấp thụ nguyên tử, bởi vì chỉ có các nguyên tử tự do ở trạng thái hơi mới cho
phổ hấp thụ nguyên tử, nghĩa là số nguyên tử tự do trong trạng thái hơi là yếu tố
quyết định cường độ vạch phổ hấp thụ và quá trình nguyên tử hoá mẫu thực hiện tốt
hay không tốt đều có ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả phân tích một nguyên tố. Mục
đích của quá trình này là tạo ra được đám hơi các nguyên tử tự do từ mẫu phân tích
với hiệu suất cao và ổn định để phép đo đạt kết quả chính xác và có độ lặp lại cao.
Đáp ứng mục đích đó ngày nay người thường dùng hai kĩ thuật đó là kĩ thuật hoá

25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×