Chương 1 - TỔNG QUAN 1. Nước và các phương pháp đánh giá chất lượng nước 1. Vai trò của nước đối với đời sống Nước ngọt được đánh giá: “Như dòng máu nuôi cơ thể con người, dưới một danh từ là máu sinh học của trái đất, do vậy nước quý hơn vàng” (Pire Fruhling). Nước là một hợp chất liên quan trực tiếp và rộng rãi đến sự sống trên Trái Đất, là cơ sở của sự sống đối với mọi sinh vật.
Đối với thế giới vô sinh, nước là một thành phần tham gia rộng rãi vào các phản ứng hóa học, là một dung môi và là môi trường cung cấp các điều kiện để thúc đẩy hay kìm hãm các quá trình hóa học. Đối với con người, nước rất cần thiết cho hoạt động sống. Con người có thể không ăn trong nhiều ngày mà vẫn sống nhưng sẽ chết chỉ sau ít ngày nhịn khát, vì cơ thể người có khoảng 65 ÷ 68% nước, nếu mất 12% nước cơ thể có thể bị hôn mê hoặc chết. [2] Nhu cầu nước cho sản xuất công nghiệp và nhất là nông nghiệp rất lớn.
Để khai thác một tấn dầu mỏ cần 10m3 nước, muốn tạo ra một nhà máy nhiệt điện hiện đại 1 triệu kW cần tới 1,2 ÷ 1,6 tỉ m3 nước trong một năm. [2] Tuy nước có vai trò quan trọng không thể thiếu được cho sự sống tồn tại trên trái đất, là máu sinh học của Trái Đất nhưng nước khi không đảm bảo chất lượng cũng là nguồn gây tử vong cho con người. Vì vậy, chúng ta cần có những biện pháp để bảo vệ và sử dụng hợp lý tài nguyên nước. Hiện trạng tài nguyên nước Trái Đất có khoảng 361 triệu km2 diện tích các đại dương.
Trữ lượng tài nguyên nước có khoảng 1,5 tỉ km3, trong đó nước nội địa chiếm 91 triệu km3 (6,1%), còn 93,9% là nước biển và đại dương. Tài nguyên nước ngọt chiếm 28,25 triệu km3 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com (1,88% thủy quyển) nhưng phần lớn ở dạng đóng băng ở hai cực Trái Đất. Lượng nước thực tế con người có thể sử dụng được là 4,2 triệu km3 (0,28% thủy quyển) [2]. Tuy nhiên, do tác động của sự bùng nổ dân số và phát triển kinh tế kém bền vững đã làm cho tài nguyên nước ngày càng suy thoái.
Đối với một nước đang phát triển như Việt Nam thì thực trạng này càng trở nên đáng báo động. Một số lưu vực sông như sông Nhuệ, sông Đáy, sông Cầu ở Hà Nội, sông Đồng Nai, sông Sài Gòn ở Thành phố Hồ Chí Minh đang bị ô nhiễm nặng do chất thải nước sinh hoạt và chất thải của các khu công nghiệp [3]. Các phương pháp phân tích cation trong nước Nồng độ các cation trong nước là một trong các tiêu chí quan trọng đánh giá chất lượng nước. Sau đây là một số phương pháp phân tích các cation trong nước.
Các phương pháp xác định riêng rẽ các cation trong nước [28] Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis Nguyên tắc của phương pháp là dựa trên sự tạo phức màu của chất phân tích với thuốc thử nhất định. Đo sự hấp thụ ánh sáng của phức thu được tại λ max từ đó tính được nồng độ của chất phân tích có trong mẫu. Phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV-vis có khả năng phân tích được nhiều cation trong nước, trong đó có cation amoni đến nay phương pháp vẫn tỏ ra ưu việt. Để phân tích amoni có nhiều thuốc thử có thể tạo thành phức màu: thuốc thử Nessler, xanh indophenol.Trong đó, thuốc thử xanh indophenol và nitroferricianide tạo thành hỗn hợp phức có màu xanh với cation amoni có cực đại hấp thụ ở 630nm với giới hạn phát hiện là: 0,002mg_N/L.
Tuy nhiên, quá trình tạo phức đôi khi mất khá nhiều thời gian, tiêu tốn nhiều hóa chất. Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nguyên tắc của phương pháp: các chất phân tích sau khi nguyên tử hóa được kích thích bởi một năng lượng thích hợp (ánh sáng đơn sắc) sẽ chuyển lên mức năng lượng cao hơn và sinh ra phổ hấp thụ nguyên tử. Phương pháp này thích hợp cho việc phân tích các cation Mg2+, Ca2+, Ba2+ hấp thụ bước sóng cực đại lần lượt là: 285,3; 422,7; 553,6nm với giới hạn phát hiện rất tốt: ≤ 0,03mg/L. Phương pháp này cho độ chính xác cao, độ lặp lại tốt, tuy nhiên hạn chế là: hệ thiết bị đắt tiền, cồng kềnh, chi phí cho mỗi lần phân tích lớn, ngoài ra hệ thiết bị chỉ có khả năng phân tích trong phòng thí nghiệm.
Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử AES Nguyên tắc của phương pháp: các chất phân tích sau khi nguyên tử hóa được kích thích bởi một năng lượng thích hợp (ánh sáng đơn sắc) sẽ chuyển lên mức năng lượng cao hơn, sau đó phát ra các tia xạ, từ đó sinh ra phổ phát xạ nguyên tử. Phương pháp này thích hợp cho việc phân tích các cation Na+, K+ trong nước. Các cation này sau khi nguyên tử hóa sẽ hấp thụ năng lượng thích hợp và phát ra các tia phát xạ có bước sóng cực đại lần lượt là: 589; 766,6nm với giới hạn phát hiện 0,002mg/L. Tuy nhiên, phương pháp này cũng có hạn chế đó là: hệ thiết bị đắt tiền, cồng kềnh, chi phí cho mỗi lần phân tích lớn, ngoài ra hệ thiết bị chỉ có khả năng phân tích trong phòng thí nghiệm.
Tóm lại các phương pháp phân tích trên cho độ chính xác cao, độ lặp lại tốt, tuy nhiên có hạn chế là không có khả năng phân tích được nhiều chỉ tiêu trong nước, do đó, để đánh giá được một mẫu nước thì cần phân tích nhiều chỉ tiêu riêng rẽ, tiêu tốn nhiều thời gian, hóa chất, chi phí mới thu được kết quả cuối cùng. Do vậy cần có những phương pháp mới có khả năng phân tích được nhiều chỉ tiêu cùng một lúc để thu được hiệu quả kinh tế cao. Các phương pháp phân tích đồng thời các cation trong nước Phương pháp sắc khí trao đổi ion: 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Phương pháp săc kí trao đổi ion đang là một hướng nghiên cứu mới mở ra khả năng phân tích được nhiều chỉ tiêu cation trong nước trong một lần phân tích [9, 13, 15] với giới hạn phát hiện ≤ 0,02mg/L với các cation NH4+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+ [19]. Tuy nhiên phương pháp có hạn chế đó là khoảng tuyến tính hẹp, khoảng phân tích phụ thuộc vào cột tách đặc biệt, hệ thiết bị đắt tiền, dùng các dung môi hữu cơ độc hại.
Phương pháp điện di mao quản: Phương pháp điện di mao quản trong những năm gần đây đã trở thành một kỹ thuật tách quan trọng trong nhiều lĩnh vực phân tích [25]. Trong đó phân tích các cation trong mẫu nước nói chung và các mẫu nước mặt nói riêng nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà hóa học và môi trường. Nguyên tắc hoạt động đơn giản: dựa trên một nguồn cao thế áp vào hai đầu mao quản, do đó không cần bơm cao áp trong quá trình hoạt động, cột tách đơn giản, rẻ hơn nhiều so với cột tách của thiết bị IC, có thể phân tích đồng thời cả cation và anion mà không cần thay cột [16], tiêu tốn ít hóa chất. Do đó chi phí cho mỗi lần phần tích giảm đi đáng kể.
Các nghiên cứu bằng phương pháp điện di mao quản sử dụng detector UV-Vis trực tiếp hoặc hoặc gián tiếp đã được nghiên cứu và phát triển để phân tích các cation trong nước [24, 26]. Tuy nhiên, phương pháp này tương đối hạn chế về đối tượng phân tích cũng như giới hạn phát hiện do việc sử dụng mao quản có đường kính trong nhỏ gây khó khăn trong vấn đề chế tạo tế bào dòng chảy và mao quản dễ vỡ khi bỏ lớp polyme phía ngoài. Sự kết hợp của phương pháp CE với các phương pháp xác định tiên tiến như quang phổ phát xạ (ICP OES) và phổ khối (ICP MS) cho phép phân tích lượng vết một số cation trong mẫu máu thu được giới hạn phát hiện rất nhỏ cỡ µg/L [10, 17]. Tuy nhiên các phương pháp này chỉ thích hợp cho việc phân tích trong phòng thí nghiệm vì điều kiện bảo quản thiết bị nghiêm ngặt, mặt khác thiết bị khá cồng kềnh và chi phí đầu tư ban đầu cao.
5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Phương pháp CE rất thích hợp với mục đích phân tích hiện trường và có thể đặt ở những vị trí có diện tích không lớn lắm vì hệ thiết hệ thiết bị tương đối nhỏ gọn, tiêu tốn ít hóa chất. Mặt khác hệ thiết bị có khả năng được tiếp tục thu nhỏ và tự động hóa do không cần bơm cao áp như một số phương pháp khác. Vấn đề là để thu nhỏ được hệ thiết bị thì phải đồng bộ hóa các bộ phận cấu tạo, trong đó bộ phận khó nhất là detector. Đối với detector UV thì điều này là không thể do cấu tạo của detector UV khá phức tạp, một số bộ phận không thể thu nhỏ đươc.
Với ICP OES hay ICP MS là không thể thu nhỏ do các thiết bị này quá cồng kềnh. Trong những năm gần đây, detector độ dẫn, trong đó nổi bật là detector độ dẫn không tiếp xúc kết nối kiểu tụ điện (C4D) đang là một hướng nghiên cứu rất có tiềm năng và triển vọng trong việc thu nhỏ hệ thiết bị phục vụ mục đích phân tích hiện trường và quan trắc liên tục [18, 21]. Mặt khác, nguyên tắc hoạt động của detector này dựa trên sự dẫn điện của các chất phân tích, vì vậy, C4D có phổ phân tích rộng, đặc biệt thích hợp với các đối tượng là ion. Không những thế detector C4D có độ nhạy rất cao trong phương pháp CE.
Loại detector này chế tạo rất đơn giản, dễ dàng làm chủ công nghệ, khi phân tích không làm bẩn điện cực do đó detector này rất thích hợp với mao quản trong phương pháp CE. Phương pháp điện di mao quản [5, 6] Điện di mao quản là một phương pháp tách chất dựa trên cơ sở di chuyển khác nhau của các phần tử chất (chủ yếu là các phần tử tích điện) trong dung dịch đệm dưới tác dụng của điện trường E nhất định, do thế V đặt vào hai đầu mao quản sinh ra. Phương pháp tách này được nghiên cứu và phát triển đầu tiên bởi Tiselius (1937), trên cơ sở nghiên cứu tách và phân tích các hỗn hợp protein, amin, amino axit bằng kỹ thuật CE thế thấp (110 - 220V), ngày nay được gọi là điện di cổ điển. Sau gần 10 năm, với kết quả nghiên cứu và đề xuất ra kỹ thuật tách này Tiselius đã được nhận giải thưởng Nobel (1948).
Phương pháp này ngày càng được phát triển và ứng dụng 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.