MỞ ĐẦU Trong quá trình sinh sống và phát triển con người càng khai thác nhiều nguồn tài nguyên thiên nhiên hơn, trong đó có những tài nguyên không tái tạo được thì sẽ đi đến chỗ cạn kiệt như: nạn chặt phá rừng quá nặng nề, khai thác tài nguyên khoáng sản, khai thác nước … Mặt khác con người cũng sản sinh ra nhiều chất thải hơn và càng làm cho môi trường bị ô nhiễm và suy thoái. Sự suy thoái của môi trường đang đe dọa tới sức khỏe và tính mạng của hàng trăm triệu người dân trên thế giới nhất là các nước đang phát triển. Chính vì vậy mà trong thời đại hiện nay, trên phạm vi toàn thế giới và trong từng quốc gia nổi lên vấn đề cơ bản nhất có ảnh hưởng trực tiếp tới sức khỏe của con người đó là vấn đề ô nhiễm môi trường nói chung và ô nhiễm môi trường nước nói riêng. Như chúng ta đã biết, nước cũng như không khí rất cần thiết cho sự sống và các hoạt động của cơ thể con người, cho sự tồn tại và phát triển của môi trường xung quanh.
Trong cơ thể mỗi con người lượng nước sạch cần thiết trong một ngày dùng để ăn uống từ 2,5 – 3 lít nước và dùng cho các nhu cầu khác như tắm giặt … bình quân cần phải từ 100 – 120 lít/ngày. Nguy cơ khan hiếm nước và tình trạng các nguồn nước sạch bị ô nhiễm dẫn đến tình trạng thiếu nước sạch phục vụ cho ăn uống và cho sinh hoạt của con người càng ngày càng trầm trọng. Ở nước ta đang bước vào thời kỳ đẩy mạnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa cùng với sự gia tăng về dân số, do vậy mà vấn đề nước sạch đã trở lên cấp bách hơn bao giờ hết. Tổ chức Y tế thế giới (WHO) đã tiến hành nghiên cứu cơ cấu bệnh tật ở Châu Á và đã đi đến kết luận như sau: “ Tại một số nước ở Châu Á có 60% bệnh nhiễm trùng và 40% tử vong là do nước dùng sinh hoạt không hợp vệ sinh”.
Quỹ nhi đồng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn 2 Liên Hiệp Quốc (UNICEF) lại cảnh báo: “ Hàng năm, tại các nước đang phát triển có khoảng 14 triệu trẻ em dưới 5 tuổi bị chết và 5 triệu trẻ em bị tàn tật do dùng nước bị ô nhiễm”. Có rất nhiều chỉ tiêu để đánh giá chất lượng nước như: độ pH, độ kiềm, độ axit, hàm lượng oxi (DO, BOD, COD), hàm lượng chất hữu cơ, chất bảo vệ thực vật, hàm lượng các cation, anion… Nước sạch đưa vào cơ thể nhiều nguyên tố cần thiết cho sự sống như: Iot, Sắt, Flo, Kẽm, Đồng, Mangan … Tuy nhiên khi nồng độ của chúng trong nước vượt quá mức cho phép thì nó sẽ gây ra các bệnh hiểm nghèo. Do đó nước dùng cho cuộc sống phải đủ về số lượng và đảm bảo an toàn về chất lượng. Sắt là một trong những kim loại có nhiều trong vỏ trái đất.
Nồng độ của nó trong nước thiên nhiên có thể từ 0,5 - 50 mg/l. Nhu cầu tối thiểu về sắt hàng ngày tùy thuộc vào độ tuổi, giới tính, thể chất thay đổi từ 10 - 15 mg/ngày. Còn mangan thì nhu cầu dinh dưỡng mỗi ngày đối với cơ thể con người từ 30 – 50 µg/kg thể trọng. Nếu dư thừa, mangan thì sẽ gây ra các bệnh hiểm nghèo như: viêm túi mật, ảnh hưởng đến vị giác và tuyến giáp trạng… Người ta đã ghi nhận được chứng cứ về tính nhiễm độc thần kinh do tiếp xúc lâu với bụi có chứa mangan là tác dụng lên hệ thần kinh trung ương, gây tổn thương thận và bộ máy tuần hoàn, phổi, ngộ độc nặng có thể dẫn tới tử vong [17].
Vì vậy, việc xác định chính xác hàm lượng các kim loại nặng độc hại (Fe, Mn …) trong nước là vô cùng cần thiết. Nó góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng, đồng thời cũng góp phần xây dựng quy trình phục vụ kiểm tra chất lượng nước. Xuất phát từ mục tiêu đó chúng tôi lựa chọn đề tài: “Phân tích và đánh giá hàm lƣợng Sắt, Mangan trong nƣớc giếng khoan bằng phƣơng pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa (F – AAS)”. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn 3 Chúng tôi tiến hành xác định hàm lượng sắt, mangan trong nước sinh hoạt bằng kỹ thuật F – AAS để từ đó xác định mức ô nhiễm sắt, mangan và có biện pháp xử lý thích hợp.
Để thực hiện đề tài này, chúng tôi tập trung giải quyết các nhiệm vụ sau: + Khảo sát các điều kiện thực nghiệm xác định sắt, mangan bằng máy quang phổ hấp thụ nguyên tử Shimadzu AA-6300. + Chọn nền và môi trường phân tích. + Khảo sát ảnh hưởng của các cation khác. + Khảo sát khoảng nồng độ tuyến tính của sắt và mangan trong phép đo F-AAS và xây dựng đường chuẩn xác định các nguyên tố này.
+ Xác định hàm lượng các kim loại sắt, mangan trong nước giếng khoan ở một số phường của thành phố Thái Nguyên và đánh giá mức độ ô nhiễm của chúng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn 4 Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1. MANGAN VÀ HỢP CHẤT CỦA MANGAN 1. Mangan [8] Mangan là nguyên tố thuộc phân nhóm phụ nhóm VII trong bảng HTTH của Menđeleep: - Khối lượng nguyên tử: 54,938 - Tỷ trọng: 7,44 - Nhiệt độ nóng chảy: 12440C - Nhiệt độ sôi: 21200C - Cấu hình electron lớp ngoài cùng: 3d54s2 - Mangan có các trạng thái oxi hóa từ +2 đến +7 Trong thiên nhiên Mn là nguyên tố tương đối phổ biến, đứng hàng thứ 3 trong số các kim loại chuyển tiếp sau Fe và Ti.
Trữ lượng của Mn trong vỏ trái đất là0,032%. Mangan không tồn tại ở trạng thái tự do mà tồn tại chủ yếu trong các khoáng vật. Khoáng vật chính của Mn là hausmanit( Mn3O4 ) chứa khoảng 72% Mn, pirolusit(MnO2) chứa khoảng 63% Mn, braunit (Mn2O3) và manganit MnO2. Nước ta có mỏ pirolusit lẫn hemantit ở Yên Cư và Thanh Tứ ( Nghệ An), mỏ pirolusit lẫn hêmantit ở Tốc Tác và Bản Khuôn (Cao Bằng).
Trong cơ thể con người Mn có khoảng 4.10-10% nằm trong tim, gan và tuyến thượng thận, ảnh hưởng đến sự trưởng thành của cơ thể và sự tạo máu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn 5 Mangan có nhiều đồng vị từ 49Mn đến 55Mn trong đó chỉ có 55Mn là đồng vị thiên nhiên chiếm 100%. Đồng vị phóng xạ bền nhất là 53Mn có chu kì bán hủy là 140 năm, và kém bền nhất là 49Mn có chu kì bán hủy là 0,4s [18]. Các hợp chất của mangan [1] 1.
Hợp chất của Mn(II) Đa số hợp chất Mn(II) dễ tan trong nước, ít tan là MnO, MnS, MnF 2 , Mn(OH)2, MnCO3 và Mn3(PO4)2. Khi tan trong nước các muối Mn(II) phân li tạo phức aquơ kiểu [Mn(OH2)6]2+ làm cho dung dịch có màu hồng. Khi tác dụng với các chất oxi hóa các hợp chất Mn(II) thể hiện tính khử. Trong môi trường kiềm Mn(OH)2 bị O2 của không khí oxi hóa: 6Mn(OH)2 + O2 → 2Mn2MnO4 + 6H2O ( Đây là một phản ứng dùng để định lượng oxi hòa tan trong nước) Trong môi trường kiềm mạnh, Mn2+ có thể bị oxi hóa thành MnO42- : 3MnSO4 + 2KClO3 + 12KOH → 3K2MnO4 + 2KCl + 3K2SO4 + 6H2O Trong môi trường axit những chất oxi hóa mạnh như PbO2 oxi hóa Mn2+ thành MnO4- : 2MnSO4 + 5PbO2 + 6HNO3 → 2HMnO4 + 3Pb(NO3)2 + 2PbSO4 + 2H2O 1.
Hợp chất của Mn(III) Mn(III) oxit Mn2O3 tồn tại trong tự nhiên dưới dạng khoáng vật braunit. Mn(III) hiđroxit được kết tủa từ dung dịch nước không có thành phần ứng đúng Mn(OH)3 mà là hiđrat Mn2O3. Ở 1000C hiđrat này mất nước tạo thành mono hiđrat Mn2O3.H2O thường được biểu diễn là MnOOH và tồn tại trong tự nhiên dưới dạng khoáng vật Manganit. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn 6 Những muối Mn(III) đơn giản và tương đối thông dụng là: MnF3, Mn2(SO4)3, Mn(CH3COO)3.
Trong dung dịch Mn3+ dễ bị phân hủy theo phản ứng: 2Mn3+ + 2H2O MnO2 + Mn2+ + 4H+ Tuy nhiên Mn3+ tồn tại bền hơn khi ở các trạng thái phức chất. Ví dụ M3[Mn(CN)6] trong đó M là Na+, K+, NH4+. Hợp chất của Mn(IV) Đối với Mn(IV) hợp chất bền là MnO2 và Mn(OH)4, các muối Mn(IV) không có nhiều và cation Mn4+ bị thủy phân mạnh trong dung dịch nước tạo thành MnO2. MnO2, Mn(OH)4 là những hợp chất vừa có tính oxi hóa, vừa có tính khử, không tan trong nước.
Khi tác dụng với chất khử chúng đóng vai trò chất oxi hóa, Ví dụ: MnO2 + 4HCl → MnCl2 + Cl2 + 2H2O Khi tác dụng với chất oxi hóa chúng đóng vai trò chất khử, sản phẩm là những hợp chất Mn(VI), Mn(VII): 3MnO2 + KClO3 + 6KOH → 3K2MnO4 + KCl + 3H2O 2MnO2 + 3PbO2 + 6HNO3 → 2HMnO4 + 3Pb(NO3)2 + 2H2O 1. Hợp chất của Mn(VI) Mn(VI) chỉ được biết trong ion manganat (MnO42-) có màu lục thẫm. Người ta đã tách được tinh thể muối manganat của kim loại kiềm, amôni, kim loại kiềm thổ, chì, cacđimi. MnO42- chỉ tồn tại trong dung dịch có dư kiềm, trong trường hợp ngược lại chúng thủy phân theo phương trình: 3K2MnO4 + 2H2O → 2KMnO4 + MnO2 + 4KOH Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn 7 K2MnO4 + H2SO4 → H2MnO4 + K2SO4 ( 3H2MnO4 → 2HMnO4 + MnO2 + 2H2O) Các hợp chất Mn(VI) là những chất oxi hóa mạnh, tuy nhiên khi tác dụng với các chất oxi hóa mạnh hơn thì sẽ thể hiện tính khử: 2K2MnO4 + Cl2 → 2KMnO4 + 2KCl 1.
Hợp chất của Mn(VII) Anhiđric pemanganic Mn2O7 là chất lỏng nhờn, màu đen xanh, không bền. Người ta điều chế nó bằng cách tác dụng H2SO4 đặc lên KMnO4 : 2KMnO4 + H2SO4 → Mn2O7 + K2SO4 + H2O Mn2O7 là hợp chất oxit axit điển hình, tác dụng mạnh với nước theo phản ứng: Mn2O7 + H2O → 2HMnO4 Ion MnO4- có màu đỏ tím tồn tại nhiều dưới dạng muối. KMnO4 là chất oxi hóa mạnh và được dùng rộng rãi trong phòng thí nghiệm. Sản phẩm khử pemanganat được tạo thành tương ứng với tính chất của môi trường.
Trong môi trường axit mạnh: MnO-4 + 5e + 8H+ → Mn2+ + 4H2O 0 EMnO / Mn2 4 = 1,51 V Trong môi trường acid yếu, trung tính: MnO-4 + 4H+ + 3e → MnO2 + 2H2O 0 EMnO 4 / MnO = 1,231 V 2 Môi trường kiềm: MnO4- + e → MnO42- E0 = 0,56 V Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www. Ứng dụng của Mangan [8] Gần 95% Mn được sản xuất là dùng để chế thép trong ngành luyện kim.
