Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu phương pháp trắc quang xác định asen bằng thuốc thử Safranine

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu phương pháp trắc quang xác định asen bằng thuốc thử safranine, mang lại giải pháp hiệu quả trong phân tích.

• Tác giả: Nguyễn Lê Thanh Vân
• Người hướng dẫn: GS. Trần Tứ Hiếu
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên - Đại Học Quốc Gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa Phân Tích
• Đề tài: Nghiên cứu phương pháp trắc quang xác định asen bằng thuốc thử Safranine
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu chung về asen
• 1.2. Các dạng tồn tại và tính chất lý hóa học của asen (As)
• 1.2.1. Các dạng tồn tại của asen
• 1.2.2. Tính chất vật lý
• 1.2.3. Tính chất hóa học
• 1.3. Độc tính của asen và sự tích lũy trong cơ thể người
• 1.4. Ô nhiễm asen trong nước ngầm trên thế giới và Việt Nam
• 1.4.1. Ô nhiễm Asen trên thế giới
• 1.4.2. Ô nhiễm asen tại Việt Nam
• 1.5. Một số phương pháp xác định Asen
• 1.5.1. Phương pháp phân tích đo quang phân tử
• 1.5.2. Phương pháp đo quang với bạc dietyl đithiocacbamat
• 1.5.3. Phương pháp xanh molipden
• 1.5.4. Đo quang xác định asen sau khi hấp thụ asin bằng hỗn hợp
• 1.5.5. Phương pháp xác định asen bằng thuốc thử Leuco crystal violet (LCV)
• 1.5.6. Phương pháp động học xúc tác
• 1.5.7. Phương pháp quang phổ hấp phụ nguyên tử (AAS)
• 1.5.8. Phương pháp huỳnh quang
• 1.5.9. Xác định As(III) bằng thuốc thử fluorescein
• 1.5.10. Phương pháp dòng chảy - huỳnh quang xác định axit dimethyl arsinic (DMAA) trong thuốc diệt cỏ sử dụng phản ứng quang hóa trực tiếp
• 1.5.11. Xác định Asen bằng phương pháp huỳnh quang phân tử với hệ thuốc thử murexit – Cr(VI)
• 1.5.12. Phương pháp biosensor sử dụng vi khuẩn chỉ thị
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu
• 2.2. Nguyên tắc của phương pháp trắc quang xác định hàm lượng asen bằng Safranin. Nội dung nghiên cứu
• 2.3. Hóa chất, dụng cụ, thiết bị
• 2.4. Dụng cụ, thiết bị
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Nghiên cứu phương pháp xác định As (III) dựa trên hệ phản ứng oxi hóa khử As(III), KIO3 và Safranin. Nghiên cứu chọn điều kiện tối ưu của phản ứng chỉ thị
• 3.2. Phổ hấp thụ của sản phẩm phản ứng chỉ thị
• 3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian phản ứng
• 3.4. Ảnh hưởng của nồng độ KIO3
• 3.5. Ảnh hưởng của nồng độ thuốc thử Safranine
• 3.6. Ảnh hưởng của nồng độ HCl
• 3.7. Đánh giá phương pháp phân tích
• 3.8. Độ chọn lọc của phương pháp phân tích
• 3.9. Khảo sát khoảng tuyến tính
• 3.10. Phân tích mẫu thực tế
• 3.11. Xác định hàm lượng As(III) trong mẫu nước ngầm

Tóm tắt

I. Tổng quan về phương pháp trắc quang xác định asen

Phương pháp trắc quang xác định asen bằng thuốc thử Safranine đang trở thành một trong những phương pháp phân tích phổ biến trong lĩnh vực hóa phân tích. Asen là một nguyên tố độc hại, có mặt trong nhiều nguồn nước ngầm và có thể gây ra nhiều vấn đề sức khỏe nghiêm trọng. Việc xác định chính xác hàm lượng asen trong nước là rất cần thiết để bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

1.1. Đặc điểm và tính chất của asen

Asen (As) là một nguyên tố hóa học có số nguyên tử 33, tồn tại chủ yếu dưới dạng asenat và asenit trong tự nhiên. Tính chất hóa học của asen rất đa dạng, với khả năng tồn tại ở nhiều trạng thái oxi hóa khác nhau. Đặc biệt, asen (III) có độc tính cao hơn asen (V) gấp nhiều lần, điều này làm cho việc xác định chính xác hàm lượng asen trong nước trở nên quan trọng.

1.2. Tình hình ô nhiễm asen tại Việt Nam

Ô nhiễm asen trong nước ngầm đã được phát hiện ở nhiều khu vực tại Việt Nam, đặc biệt là ở các tỉnh miền Bắc như Hà Nam, Hải Dương và Cà Mau. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng hàm lượng asen trong nước ngầm tại những khu vực này vượt quá giới hạn cho phép, gây ra nguy cơ cho sức khỏe cộng đồng.

II. Vấn đề và thách thức trong xác định asen

Việc xác định hàm lượng asen trong nước gặp nhiều thách thức do sự biến đổi của các dạng tồn tại của asen trong môi trường. Các yếu tố như pH, nhiệt độ và nồng độ các ion khác có thể ảnh hưởng đến kết quả phân tích. Do đó, cần có những phương pháp phân tích chính xác và nhạy cảm để đảm bảo độ tin cậy của kết quả.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả phân tích

Nồng độ pH và các ion trong mẫu nước có thể làm thay đổi trạng thái tồn tại của asen, từ đó ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp trắc quang. Việc kiểm soát các yếu tố này là rất quan trọng để đảm bảo kết quả phân tích chính xác.

2.2. Độ nhạy và độ chính xác của phương pháp

Phương pháp trắc quang cần có độ nhạy cao để phát hiện các nồng độ asen thấp trong nước. Độ chính xác của phương pháp cũng cần được kiểm chứng qua các thử nghiệm lặp lại để đảm bảo tính tin cậy của kết quả.

III. Phương pháp trắc quang xác định asen bằng Safranine

Phương pháp trắc quang xác định asen bằng thuốc thử Safranine là một trong những phương pháp hiệu quả và tiết kiệm chi phí. Safranine là một thuốc nhuộm có khả năng tạo phức với asen, từ đó tạo ra tín hiệu quang học có thể đo được. Phương pháp này không chỉ đơn giản mà còn cho kết quả nhanh chóng.

3.1. Nguyên tắc hoạt động của phương pháp

Nguyên tắc của phương pháp trắc quang xác định asen dựa trên phản ứng giữa asen và thuốc thử Safranine trong môi trường axit. Khi asen kết hợp với Safranine, sẽ tạo ra một phức hợp có màu sắc đặc trưng, cho phép đo độ hấp thụ quang tại bước sóng nhất định.

3.2. Quy trình thực hiện phương pháp

Quy trình thực hiện phương pháp bao gồm các bước chuẩn bị mẫu, thêm thuốc thử Safranine, và đo độ hấp thụ quang. Các bước này cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo độ chính xác của kết quả phân tích.

IV. Ứng dụng thực tiễn của phương pháp trắc quang

Phương pháp trắc quang xác định asen bằng thuốc thử Safranine đã được áp dụng thành công trong nhiều nghiên cứu và thực tiễn. Kết quả từ các nghiên cứu này cho thấy phương pháp này có thể được sử dụng để kiểm tra chất lượng nước ngầm và nước sinh hoạt, từ đó giúp bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

4.1. Kết quả nghiên cứu thực tế

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng phương pháp trắc quang với Safranine có thể phát hiện được nồng độ asen thấp trong nước ngầm. Kết quả này đã được so sánh với các phương pháp phân tích khác và cho thấy độ chính xác cao.

4.2. Ứng dụng trong kiểm soát chất lượng nước

Phương pháp này có thể được áp dụng trong việc kiểm soát chất lượng nước tại các khu vực có nguy cơ ô nhiễm asen cao. Việc phát hiện sớm sẽ giúp các cơ quan chức năng có biện pháp xử lý kịp thời, bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

V. Kết luận và triển vọng tương lai

Phương pháp trắc quang xác định asen bằng thuốc thử Safranine không chỉ mang lại hiệu quả cao trong việc phân tích mà còn có tiềm năng lớn trong việc ứng dụng rộng rãi trong kiểm soát chất lượng nước. Tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và cải tiến phương pháp này để nâng cao độ nhạy và độ chính xác.

5.1. Tóm tắt những lợi ích của phương pháp

Phương pháp trắc quang với Safranine có nhiều lợi ích như độ nhạy cao, quy trình thực hiện đơn giản và chi phí thấp. Điều này làm cho nó trở thành một lựa chọn lý tưởng cho việc xác định asen trong nước.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Cần tiếp tục nghiên cứu để cải tiến phương pháp, mở rộng ứng dụng và phát triển các thuốc thử mới có độ nhạy cao hơn. Điều này sẽ giúp nâng cao khả năng phát hiện asen trong các mẫu nước phức tạp hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Hiện nay, môi trƣờng ô nhiễm là vấn đề mang tính toàn cầu, là hệ quả từ khai thác mỏ, công nghiệp, nông nghiệp, và các hoạt động quân sự… Cùng với ô nhiễm hợp chất hữu cơ thì sự có mặt kim loại và á kim cũng là những nguồn chính của ô nhiễm nghiêm trọng có thể đe dọa sức khỏe con ngƣời [19]. Trong số các nguyên tố độc hại asen (As) - nguyên tố có tính độc, chức năng sinh học rõ ràng đang đƣợc thế giới quan tâm. Asen là một nguyên tố vi lƣợng rất cần thiết đối với quá trình sinh trƣởng và phát triển của động thực vật. Asen cũng đƣợc sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật và đời sống nhƣ trong công nghiệp nhuộm, thuốc trừ sâu, dƣợc liệu, …Tuy nhiên ở hàm lƣợng cao, asen gây tác hại to lớn đối với hệ sinh thái.

Asen cản trở quá trình quang hợp của cây, gây ra hiện tƣợng rụng lá ở thực vật. Asen cũng rất độc hại đối với con ngƣời và động vật. Khi xâm nhập vào cơ thể asen có thể gây hàng loạt chứng bệnh nguy hiểm nhƣ các bệnh dạ dày, rối loạn chức năng gan, hội chứng đen da và ung thƣ da,…[9] Độc tính của asen rất khác nhau, asen (III) độc gấp 50 lần asen (V), asen ở dạng vô cơ độc hơn ở dạng hữu cơ. Do đó hàm lƣợng asen trong môi trƣờng luôn đƣợc quy định ở những nồng độ rất thấp.

Giới hạn cho phép của asen trong nƣớc sinh hoạt theo tiêu chuẩn của tổ chức y tế thế giới là 0,01 mg/l, theo tiêu chuẩn VN 5502 – 2003 là 0,01mg/l [8]. Nguồn gây ô nhiễm asen từ công nghiệp, sự đốt cháy các khoáng chứa asen và nguồn khoáng trong tự nhiên giàu asen trong đó có sự hòa tan các khoáng sunfua của asen trong đất là chủ yếu. Asen là thành phần tự nhiên của lớp trầm tích vỏ trái đất nên nó thƣờng có mặt trong các tầng nƣớc ngầm và nƣớc mặt. Ở một số khu vực trên thế giới, nƣớc ngầm có hàm lƣợng asen rất cao do lớp trầm tích có cấu trúc, thành phần hóa học thuận lợi cho việc hòa tan asen từ đất ra nƣớc.

Hiện tƣợng này đƣợc phát hiện tại các khu vực đồng 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] bằng châu thổ thấp trũng, xảy ra lụt lội hàng năm, dòng chảy thủy văn chậm, các lớp bồi tích trẻ thiếu oxy (mang tính khử) thuận lợi cho việc giải phóng asen từ đất ra nƣớc. Ô nhiễm asen trong nƣớc ngầm dùng cho sinh hoạt và tƣới tiêu đã đƣợc phát hiện trong khoảng 20 năm qua tại Bangladet, Ấn độ, Trung quốc, Việt nam, Campuchia, Achentina, Chile, [18]… Ở Việt nam, sự ô nhiễm asen đã đƣợc phát hiện ở nhiều nơi nhƣ Hà Nội, Hà Nam, Hải Dƣơng, Phú Thọ, Cà Mau,… Nhiều nghiên cứu về ô nhiễm asen trong nƣớc giếng khoan tại Việt Nam đã đƣợc tiến hành trong những năm vừa qua. Trong số các phƣơng pháp phân tích nhƣ phƣơng pháp động học – trắc quang, phƣơng pháp phổ khối plasma cảm ứng cao tần (ICP - MS), phƣơng pháp phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), hoặc nhiều phƣơng pháp khác .thì phƣơng pháp trắc quang là phƣơng pháp đang đƣợc quan tâm nghiên cứu để xác định asen vì phƣơng pháp này có độ nhạy và độ chính xác cao, quy trình phân tích đơn giản không tốn nhiều hoá chất và không đòi hỏi trang thiết bị đắt tiền. Vì vậy, để đóng góp vào việc phát triển ứng dụng phƣơng pháp này với đối tƣợng nghiên cứu là nƣớc ngầm chúng tôi chọn đề tài: “ Nghiên cứu phƣơng pháp trắc quang xác định asen bằng thuốc thử Safranine”.

2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu chung về asen 1. Các dạng tồn tại và tính chất lý hóa học của asen (As) 1. Các dạng tồn tại của asen Asen (ký hiệu As) có số nguyên tử là 33, là nguyên tố phổ biến thứ 12 trong vỏ trái đất chiếm 1.10-4% tổng số nguyên tử trong vỏ trái đất, khối lƣợng nguyên tử của nó bằng 74,92; tồn tại chủ yếu ở dạng asen 3 và 5.

Asen có trong các khoáng vật sunfua: reanga (As 4S4), oripimen (As2S3). Nguyên tố asen có một vài dạng thù hình, dạng kim loại và dạng không kim loại. Dạng không kim loại của asen đƣợc tạo nên khi làm ngƣng tụ hơi của nó, khi đó asen có màu vàng, dạng kim loại của asen có màu trắng bạc [3]. Trong tự nhiên, Asen không tồn tại ở dạng đơn chất mà tồn tại dƣới dạng các hợp chất vô cơ (asenit, asenat) và hữu cơ (metyl asen, dimetyl asen).

Asen có mặt khắp nơi trong tự nhiên, trong đất, trong đá, trong khoáng, trong quặng, trong các cơ thể sống… Asen thƣờng có hàm lƣợng cao trong các khoáng của sắt, đồng, chì hoặc trong những khoáng sunfua, trong đó khoáng asenopyrit có hàm lƣợng asen cao nhất. Tùy theo từng điều kiện môi trƣờng mà asen có thể tồn tại ở nhiều trạng thái oxi hóa khác nhau: -3, 0, +3,+5. Trong nƣớc tự nhiên, asen tồn tại chủ yếu ở 2 dạng hợp chất vô cơ là asenat [As(V)], asenit [As(III)]. As(V) là dạng tồn tại chủ yếu của asen trong nƣớc bề mặt và As(III) là dạng chủ yếu của asen trong nƣớc ngầm.

Dạng As(V) hay các arsenate gồm AsO43-, HAsO42-, H2AsO4-, H3AsO4; còn dạng As(III) hay các arsenit gồm H3AsO3, H2AsO3-, HAsO32- và AsO33-. Asen còn tồn tại ở nhiều dạng hợp chất hữu cơ nhƣ: metylasen, đimetylasen. Các dạng tồn tại của asen trong nƣớc phụ thuộc vào 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] pH và thế oxi hoá khử Eh của môi trƣờng. Ảnh hƣởng của pH đến dạng tồn tại của asen đƣợc trình bày nhƣ trên hình 1.1: Ảnh hưởng của pH đến dạng tồn tại của Asen Thế ôxi-hóa khử và pH là các yếu tố quyết định đến dạng tồn tại của asen trong môi trƣờng.

Ở điều kiện ôxi-hóa, và pH thấp (nhỏ hơn 6,9) dạng H2AsO4- chiếm đa số, trong khi ở pH cao HAsO42- lại chiếm ƣu thế (H3AsO40 và AsO43- chỉ có thể tồn tại trong môi trƣờng axit mạnh và bazơ mạnh). Ở điều kiện khử và pH thấp (<9,2) dạng As(III) không mang điện chiếm đa số H3AsO3.2: Đồ thị ảnh hưởng của pH/Eh đến dạng tồn tại của asen 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Tính chất vật lý Asen là nguyên tố có một vài dạng thù hình dạng kim loại và không kim loại. Asen tồn tại 3 dạng Asα: là dạng bền, tƣơng đối cứng giòn; Asβ: dạng vô định hình, giòn; Asγ: gồm nhiều phân tử As4 giả bền, mềm nhƣ sáp, dễ tan trong dung môi CS2.

As4 là dạng không kim loại, ở nhiệt độ thƣờng dƣới tác dụng của ánh sáng nó chuyển sang dạng kim loại. Về tính chất vật lý Asen mang tính chất của kim loại. Tỷ trọng: 5,72g/cm3 ở 140C Nhiệt độ nóng chảy: 8170C ở 37 atm Nhiệt độ sôi: 6150C Độ âm điện: χ = 2 M = 74,9216g/mol Năng lƣợng ion hóa từ thứ nhất đến thứ 5 là: 10,5; 20,1; 28,0; 49,9; 62,5 eV. Tính chất hóa học Về mặt tính chất hóa học các hợp chất của Asen giống nhƣ tính chất của một số phi kim.

 Tính chất của asin (AsH3) [4,5,10] As3- thƣờng tồn tại dƣới dạng AsH3 hoặc asin hữu cơ. AsH3 có cấu tạo tƣơng tự NH3, PH3. Nó có một số tính chất vật lý sau: - Độ dài liên kết As-H: 1,52Ao, góc liên kết 92o - Năng lƣợng liên kết trung bình = 71 kcal/mol - Nhiệt độ nóng chảy là: -116oC, nhiệt độ sôi là: -62oC - Là chất khí không màu, nặng hơn không khí khoảng 2,7 lần và có mùi hạnh nhân đắng hay mùi tỏi. Về hóa tính: AsH3 là hợp chất thu nhiệt nên dễ bị phân hủy khi đun nóng (300 oC), asen bám lên thành bình tạo một lớp lấp lánh nhƣ gƣơng.

5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] AsH3 có tính khử mạnh có thể bốc cháy trong không khí. Chúng khử đƣợc muối của kim loại từ Cu trở về sau: 4AsH3 +10H2SO4 → 3SO2 + 4AsSO4(OH) + 14H2O + 3S↓ AsH3 + 6AgNO3 + 3H2O → 6Ag + 6HNO3 + H3AsO3 AsH3 bốc cháy trong không khí tạo thành As2O3 2AsH3 + 3O2 → As2O3 + 3H2O + 44,2 kcal AsH3 tác dụng với HgCl2 tẩm trên giấy lọc tạo ra hợp chất có màu biến đổi từ vàng → đỏ → nâu. AsH2(HgCl) → AsH(HgCl)2 → As(HgCl)3 → As2Hg3 Tính chất này đƣợc áp dụng phân tích bán định lƣợng bằng phƣơng pháp so màu. AsH3 tác dụng với I2/KI và I2/ CO32- ở pH = 8 AsH3 + 4I2 + 4H2O → H3AsO4 + 8I- + 8H+  Tính chất hóa học của Asen hóa trị (III) [4,7,23] Chủ yếu As(III) tồn tại ở dạng các hợp chất nhƣ: As 2O3, As2S3, AsCl3, AsO33-, H2AsO3… * As2O3: Là oxit màu trắng hay còn gọi là asen trắng, ít tan trong nƣớc (1,7g trong 100g H2O) ở 15oC dung dịch bão hòa chứa khoảng 1,5% As2O3.

Khi tan trong nƣớc tạo thành axit asenơ. As2O3 + 3H2O → 2As(OH)3 As(OH)3 ≡ H3AsO3 là chất lƣỡng tính nhƣng tính axit trội hơn. Dạng oxit của As2O3 ở trạng thái khí tồn tại dƣới dạng phân tử kép As4O6. Trạng thái rắn tinh thể có màu vàng.

Ở 250oC tan vào nƣớc cho dung dịch 2%. As2O3 tan tốt trong kiềm As2O3 + 4NaOH → 2NaHAsO3 + H2O Khi đun nóng, As2O3 bị C,H2 khử dễ dàng sinh ra kim loại As2O3 + 6H2 → 2As + 3H2O 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] As2O3 (As4O6) thể hiện tính khử khi tác dụng với O3, H2O2, FeCl3, K2CrO7, HNO3 khi đó ta có: 3As4O6 + 8HNO3 + 14H2O → 12H3AsO4 + 8NO↑ As2O3 tác dụng với kim loại trong môi trƣờng axit As2O3 + 6Zn + 12HCl → 6ZnCl2 +2AsH3 + H2O Phản ứng này ứng dụng trong phân tích định lƣợng. * AsX3: cũng giống nhƣ hợp chất As2O3, AsX3 (X là Cl, Br, I, F) là những hợp chất dễ dàng thủy phân tạo môi trƣờng axit AsCl3 + 3H2O → H3AsO3 + 3HCl AsF3, AsCl3 là chất lỏng không màu, sánh AsBr3, AsI4 là chất rắn dễ nóng chảy * Phản ứng hóa học của AsO33- H3AsO3 không điều chế đƣợc ở dạng tự do mà chỉ tồn tại trong dung dịch nƣớc. Khi đó có cân bằng: H3AsO3 ↔ H2O + HAsO2 Kpl = 6.10-10 cân bằng chuyển dịch mạnh về phía phải.

* Tác dụng với Na2S và (NH4)2S Các sunfua kim loại kiềm và sunfua amoni đều không tạo đƣợc kết tủa sunfua với các dung dịch axit H3AsO3 trực tiếp mà tạo muối thio tan H3AsO3 + 3Na2S → Na3AsS3 + 3N aOH H3AsO3 + 3(NH4)2S → (NH4)3AsS3 + 3NH4OH Nhƣng tác dụng giữa AsO33- và Na2S trong môi trƣờng axit HCl 6N tạo kết tủa vàng 2AsO33- + 12H+ + 3Na2S → As2S3↓ + 6H2O + 6Na+ (vàng) Có thể tách kết tủa ra đƣợc * Tác dụng với H2S 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.