Luận án tiến sĩ nghiên cứu sử dụng điện cực paste cacbon biến tính bởi hgo để phân tích một số kim loại độc hại trong một số đối tượng môi trường bằng phương pháp von ampe hòa tan

Nghiên cứu sử dụng điện cực paste cacbon biến tính bởi hgo để phân tích kim loại độc hại trong môi trường bằng phương pháp von ampe hòa tan.

• Tác giả: Nguyễn Minh Quý
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Chương
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa phân tích
• Đề tài: Phân Tích Kim Loại Độc Hại Bằng Điện Cực Carbon Biến Tính
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. PHƯƠNG PHÁP VON AMPE HÒA TAN
• 1.2. Các điện cực dùng trong phương pháp von ampe hòa tan
• 1.3. GIỚI THIỆU VỀ MỘT SỐ KIM LOẠI NẶNG
• 1.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH LƯỢNG VẾT Cu2+, Pb2+, Cd2+, Zn2+
• 1.5. KẾT LUẬN CHUNG
• 2. CHƯƠNG 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.3. THIẾT BỊ, DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC VÀ KIỂM TRA ĐẶC TÍNH HOẠT ĐỘNG CỦA ĐIỆN CỰC
• 3.2. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG ĐIỆN CỰC TRONG PHƯƠNG PHÁP VON AMPE HÒA TAN ANOT
• 3.3. ÁP DỤNG PHÂN TÍCH MẪU THỰC TẾ VÀ ĐƯA RA QUY TRÌNH PHÂN TÍCH
• PHẦN PHỤ LỤC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về phân tích kim loại độc hại bằng điện cực carbon biến tính

Phân tích kim loại độc hại là một lĩnh vực quan trọng trong hóa học phân tích, đặc biệt là trong bối cảnh ô nhiễm môi trường ngày càng gia tăng. Các kim loại như Cu, Pb, Cd, và Zn có thể gây hại cho sức khỏe con người và môi trường. Việc sử dụng điện cực carbon biến tính trong phân tích giúp nâng cao độ nhạy và độ chính xác của các phương pháp phân tích. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc sử dụng điện cực carbon biến tính bởi HgO để phân tích các kim loại độc hại trong môi trường.

1.1. Tầm quan trọng của việc phân tích kim loại độc hại

Kim loại độc hại như Cu, Pb, Cd có mặt trong nhiều nguồn nước và đất, gây ra các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng. Việc phân tích chính xác nồng độ của chúng là cần thiết để bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường.

1.2. Điện cực carbon biến tính và ứng dụng trong phân tích

Điện cực carbon biến tính được sử dụng rộng rãi trong các phương pháp phân tích điện hóa nhờ vào tính năng ưu việt của nó. Chúng có khả năng tạo ra các tín hiệu điện hóa mạnh mẽ, giúp phát hiện các ion kim loại ở nồng độ thấp.

II. Vấn đề ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường hiện nay

Ô nhiễm kim loại nặng đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng trên toàn cầu. Các nguồn ô nhiễm chủ yếu bao gồm hoạt động công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt. Các kim loại như Cu, Pb, Cd không chỉ ảnh hưởng đến môi trường mà còn gây ra các bệnh lý nghiêm trọng cho con người. Việc phát hiện và phân tích chính xác các kim loại này là rất cần thiết để có biện pháp xử lý kịp thời.

2.1. Nguồn gốc và tác động của kim loại độc hại

Kim loại độc hại thường xuất phát từ các hoạt động công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt. Chúng có thể tích tụ trong cơ thể con người và gây ra các bệnh lý nghiêm trọng như ung thư, bệnh thận và các vấn đề về thần kinh.

2.2. Các phương pháp phân tích kim loại độc hại hiện nay

Hiện nay, có nhiều phương pháp phân tích kim loại độc hại như quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), quang phổ phát xạ nguyên tử (AES), và các phương pháp điện hóa như von ampe hòa tan. Mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng, nhưng phương pháp von ampe hòa tan đang được ưa chuộng nhờ vào độ nhạy cao và chi phí thấp.

III. Phương pháp phân tích kim loại độc hại bằng điện cực carbon biến tính

Phương pháp von ampe hòa tan (ASV) và von ampe hòa tan hấp phụ (AdSV) là hai kỹ thuật chính được sử dụng để phân tích kim loại độc hại. Việc sử dụng điện cực carbon biến tính giúp cải thiện độ nhạy và độ chọn lọc của các phương pháp này. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng điện cực carbon biến tính có thể phát hiện đồng thời nhiều ion kim loại trong một mẫu.

3.1. Nguyên tắc hoạt động của phương pháp von ampe hòa tan

Phương pháp von ampe hòa tan hoạt động dựa trên nguyên tắc làm giàu chất phân tích trên bề mặt điện cực, sau đó hòa tan và ghi nhận tín hiệu điện. Quá trình này cho phép xác định nồng độ của các ion kim loại trong dung dịch.

3.2. Lợi ích của việc sử dụng điện cực carbon biến tính

Điện cực carbon biến tính có nhiều ưu điểm như khả năng tái sử dụng, độ bền cao và khả năng phát hiện các ion kim loại ở nồng độ thấp. Điều này giúp giảm thiểu chi phí và thời gian phân tích.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng điện cực carbon biến tính có thể được sử dụng hiệu quả trong việc phân tích các kim loại độc hại như Cu, Pb, Cd, và Zn trong các mẫu nước và đất. Kết quả cho thấy độ nhạy và độ chính xác của phương pháp này cao hơn so với các phương pháp truyền thống. Việc áp dụng điện cực carbon biến tính trong phân tích môi trường có thể giúp phát hiện sớm ô nhiễm và đưa ra các biện pháp xử lý kịp thời.

4.1. Kết quả phân tích mẫu thực tế

Các mẫu nước từ nhiều nguồn khác nhau đã được phân tích bằng điện cực carbon biến tính. Kết quả cho thấy nồng độ kim loại độc hại trong các mẫu này vượt quá giới hạn cho phép, cho thấy sự cần thiết phải có các biện pháp kiểm soát ô nhiễm.

4.2. Ứng dụng trong quản lý môi trường

Việc sử dụng điện cực carbon biến tính trong phân tích kim loại độc hại có thể được áp dụng rộng rãi trong quản lý môi trường. Các cơ quan chức năng có thể sử dụng phương pháp này để theo dõi chất lượng nước và đất, từ đó đưa ra các chính sách bảo vệ môi trường hiệu quả.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về điện cực carbon biến tính trong phân tích kim loại độc hại đã mở ra nhiều triển vọng mới trong lĩnh vực hóa học phân tích. Việc phát triển và ứng dụng các điện cực này không chỉ giúp nâng cao độ nhạy và độ chính xác của các phương pháp phân tích mà còn góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe con người. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện hơn nữa hiệu suất của điện cực và mở rộng ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực khác.

5.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu để phát triển các loại điện cực mới với tính năng ưu việt hơn. Việc kết hợp các vật liệu khác nhau có thể tạo ra các điện cực với độ nhạy cao hơn và khả năng phát hiện nhiều ion kim loại cùng lúc.

5.2. Tác động đến chính sách môi trường

Kết quả nghiên cứu có thể ảnh hưởng đến các chính sách môi trường, giúp các cơ quan chức năng có cơ sở để đưa ra các quy định nghiêm ngặt hơn về ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, sự phát triển không ngừng của các ngành sản xuất công nghiệpvà nông nghiệp,cuộc sống sinh hoạt của con ngƣời ngày càng đƣợc nâng cao. Song song với sự phát triển đó, môi trƣờng đang có nguy cơ bị ô nhiễm nghiêm trọng, trong đó có sự ô nhiễm các kim loại nặng nhƣ Cu2+, Pb2+, Cd2+, Hg2+, …Việc phân tích lƣợng vết của chúng trong các đối tƣợng môi trƣờng là điều cần thiết. Có nhiều phƣơng pháp phân tích có khả năng đáp ứng nhiệm vụ đó nhƣ phƣơng pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), quang phổ phát xạ nguyên tử (AES), quang phổ phát xạ nguyên tử plasma (ICP-AES), các phƣơng pháp điện hóa hiện đại nhƣ phƣơng pháp von ampe hòa tan (SV), phƣơng pháp von ampe hòa tan hấp phụ (AdSV)… Các phƣơng pháp von ampe hòa tan có độ nhạy và độ chọn lọc cao, giới hạn phát hiện thấp (10-8 ÷10-9M), giá thành không cao, vì vậy chúng đƣợc ứng dụng nhiều trong phân tích vết các kim loại. Phƣơng pháp von ampe hòa tan anot có khả năng xác định đƣợc đồng thời nhiều kim loại có khả năng tạo hỗn hống với thủy ngân nhƣ Cu2+, Pb2+, Cd2+, Zn2+, Sn2+…[114].

Trong thời gian gần đây, phƣơng pháp von ampe hòa tan hấp phụ (AdSV) đã phát triển, có thể phân tích đƣợc trên 60 kim loại, trong đó có những kim loại rất khó xác định theo phƣơng pháp von ampe hòa tan anot (ASV) hay von ampe hòa tan catot (CSV), nhƣ: Hg2+, Pt2+, Ni2+, Co2+, Cr2+,.và một số chất hữu cơ [114]. Với việc lựa chọn các thuốc thử và điều kiện phân tích phù hợp, phƣơng pháp AdSV đã nâng cao độ nhạy và độ chọn lọc, có thể ứng dụng rất hiệu quả trong phân tích vết. Trong phƣơng pháp von ampe hòa tan, lựa chọn và sử dụng điện cực rất quan trọng. Hiện nay, đa số các nghiên cứu về phƣơng pháp SV đều sử dụng 9 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] điện cực thủy ngân nhƣ điện cực giọt thủy ngân treo (HMDE), điện cực giọt thủy ngân tĩnh (SMDE), hay điện cực màng thủy ngân trên đĩa rắn trơ (MFE) do những đặc tính điện hóa ƣu việt của thủy ngân nhƣ có khả năng tạo hỗn hống với các kim loại, có khả năng hấp phụ điện hóa và hóa học.

Tuy nhiên, do thủy ngân có độc tính cao, ảnh hƣởng xấu tới môi trƣờng và sức khỏe con ngƣời, nên hiện nay các nhà nghiên cứu tìm kiếm các vật liệu ít độc hại để làm điện cực làm việc. Các vật liệu khác nhau đã đƣợc nghiên cứu sử dụng chế tạo điện cực nhƣ vàng [35], bạc [34, 35, 122], than mềm [5, 7, 112], điện cực màng bismut [4, 6, 8, 45, 58, 59, 70, 73]. và điện cực biến tính giữa vật liệu than mềm hoặc graphit với các hợp chất nhƣ zeolit [31], diacetyldioxim [61], chitosan [68], bismut [72], diphenylthiocarbazon [85], 1,4-bis (prop-2- enyloxy)-9,10-anthraquinon [87], Sn[Fe(CN)6] [96],. Gần đây, có một số nghiên cứu đề xuất điện cực biến tính bởi oxit thủy ngân [9- 11, 13, 66, 80, 102].

Ƣu điểm lớn nhất của loại điện cực này là không dùng thủy ngân theo lối thông thƣờng, mà quá trình tạo lớp thủy ngân trên bề mặt điện cực làm việc do quá trình khử oxit thủy ngân, do đó không gây ảnh hƣởng xấu tới môi trƣờng, dễ chế tạo, dễ làm sạch, có thể thực hiện quá trình phân tích ngoài hiện trƣờng. Vì vậy đây là loại điện cực có tiềm năng ứng dụng tốt cho phƣơng pháp von ampe hòa tan. Ở nƣớc ta, chƣa có nghiên cứu nào đề cập đến vấn đề này. Xuất phát từ tình hình trên, chúng tôi chọn đề tài này với mục đích góp phần nghiên cứu chế tạo một loại điện cực mới mang đặc tính điện hóa của thủy ngân, sử dụng cho phƣơng pháp ASV và AdSV, áp dụng nó để xác định lƣợng vết các kim loại nặng nhƣ Cu2+, Pb2+, Cd2+, Zn2+.

trong một số đối tƣợng môi trƣờng. Để thực hiện nhiệm vụ của luận án, chúng tôi cần giải quyết các nội dung sau: 10 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Chế tạo điện cực paste cacbon biến tính bởi oxit thủy ngân (HgO- MCPE), khảo sát đặc điểm điện hóa và độ bền của điện cực. Khảo sát khả năng sử dụng điện cực cho phƣơng pháp ASV và AdSV xác định lƣợng vết Cu2+, Pb2+, Cd2+, Zn2+.

Áp dụng phƣơng pháp ASV và AdSV sử dụng điện cực HgO- MPCE để phân tích Cu2+, Pb2+, Cd2+, Zn2+ trong một số mẫu thực tế và đƣa ra quy trình phân tích. 11 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Chƣơng I TỔNG QUAN 1. PHƢƠNG PHÁP VON AMPE HÕA TAN 1. Nguyên tắc Quá trình phân tích theo phƣơng pháp von-ampe hòa tan gồm ba giai đoạn [18], [114], [115]: + Giai đoạn làm giàu: Làm giàu chất cần phân tích lên bề mặt điện cực dƣới dạng một kết tủa (kim loại, hợp chất khó tan) trong một điều kiện nhất đị nh (ở một thế cố định và một thời gian xác định).

Dung dịch đƣợc khuấy trong suốt quá trình điện phân bằng khuấy từ, que khuấy hoặc điện cực quay. + Giai đoạn ổn định: Sau khi điện phân thƣờng ngừng khuấy dung dịch 3-5 s để cho kim loại phân bố đều trên bề mặt điện cực. + Giai đoạn hòa tan: Hòa tan kết tủa làm giàu và ghi đƣờng hòa tan bằng cách phân cực ngƣợc và ghi đƣờng von-ampe hòa tan. Nếu điện phân là quá trình khử catot ở thế không đổi (Eđp) thì khi hòa tan có thế quét với tốc độ không đổi và đủ lớn (50 - 100mV/giây hoặc lớn hơn), từ giá trị Eđp về phía các giá trị dƣơng hơn.

Trong trƣờng hợp này quá trình hòa tan là quá trình anot và phƣơng pháp phân tích gọi là von-ampe hòa tan anot (ASV). Ngƣợc lại nếu điện phân là quá trình oxi hóa anot chất phân tích để kết tủa nó trên bề mặt cực, thì quá trình phân cực hòa tan là quá trình catot và gọi là phƣơng pháp von-ampe hòa tan catot (CSV). Khi quá trình làm giàu là quá trình hấp phụ, ngƣời ta gọi tên phƣơng pháp là von ampe hòa tan hấp phụ (AdSV), trong đó kim loại cần phân tích làm giàu bằng cách hấp phụ điện hoá phức của nó với phối tử hữu cơ trên bề mặt điện cực làm việc. Sau đó quét thế theo một chiều nào đó khử hoặc oxy hoá phức tích tụ trên bề mặt điện cực và ghi tín hiệu đƣờng hòa tan hấp phụ của quá trình này.

12 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Đƣờng von ampe hòa tan thu đƣợc có dạng pic. Thế đỉnh pic (EP) và cƣờng độ dòng hòa tan (IP) phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ nền điện ly, pH dung dịch, bản chất của chất phân tích và nồng độ chất, điện cực làm việc, điều kiện đo,vv. Trong điều kiện đo xác định, EP đặc trƣng cho bản chất điện hóa của chất phân tích, dựa vào EP có thể định tính các chất phân tích, còn IP tỷ lệ thuận với nồng độ chất phân tích trong dung dịch IP = k.C trong đó k là hệ số tỷ lệ, dựa vào việc đo cƣờng độ dòng hòa tan, có thể định lƣợng đƣợc các chất phân tích. Các kỹ thuật thƣờng đƣợc sử dụng để ghi tín hiệu von ampe hòa tan là kỹ thuật xung vi phân (DPP), kỹ thuật sóng vuông (SqW),… 1.

Các điện cực dùng trong phương pháp von ampe hòa tan Trong phƣơng pháp von-ampe hoà tan hấp phụ yêu cầu về điện cực làm việc rất quan trọng, quyết định độ nhạy và độ lặp lại của phép đo.Yêu cầu đặt ra là điện cƣ̣c có diện tí ch bề mặt không đổi , lặp lại trong tất cả các phép đo. Có một số loại điện cực làm việc đƣợc sƣ̉ dụng nhƣ: 1. Cực giọt Hg treo (HMDE) [18] Giọt Hg đƣợc treo ở cuối một capilar nhỏ, đƣờng kính giọt trong khoảng 0,15-0,5mm. Ở lỗ mao quản của cực có phủ một lớp chất kỵ nƣớc để Hg không bị đứt đoạn và dung dịch nƣớc không bị hút lên mao quản làm tắc và để giọt luôn có kích thƣớc lặp lại.

Trong suốt thời gian đo, kích thƣớc giọt không thay đổi. Sau mỗi lần đo, giọt thủy ngân bị cƣỡng bức rơi khỏi mao quản và một giọt mới đƣợc tạo thành, có kích thƣớc lặp lại nhƣ trƣớc. Ngoài ra, một loại điện cực tƣơng tự nhƣ HMDE là điện cực giọt thủy ngân tĩnh (SMDE) cũng đƣợc sử dụng. Hai loại điện cực này có ƣu điểm là khoảng thế hoạt động rộng (khoảng + 0,5V đến – 2,0V tuỳ môi trƣờng), có thể phân tích nhiều cation và anion, cho kết quả phân tích có độ nhạy, độ chính xác và độ 13 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] lặp lại cao.

Tuy nhiên các điện cực này không xác định đƣợc các ion kim loại có thế đỉnh pic dƣơng hơn Hg nhƣ Au3+, Ag+ và chính Hg2+, giá thành cao, trong quá trình sử dụng dễ bị tắc mao quản gây khó khăn cho phép phân tích, việc thu hồi Hg cũng phải đƣợc giám sát nghiêm ngặt do Hg là chất cực độc. Điện cực màng Hg Điện cực màng thủy ngân (MFE) đƣợc tạo thành bằng cách phủ lên trên bề mặt điện cực rắn đĩa một lớp màng mỏng thủy ngân. Các điện cực rắn này có thể làm bằng vật liệu than thủy tinh (Glassy cacbon) hay than mềm (Paste cacbon),… Màng đƣợc tạo bằng hai cách [118]: - Tạo màng trƣớc (ex-situ): điện cực MFE đƣợc tạo thành trƣớc khi phân tích bằng cách điện phân dung dịch Hg2+ có nồng độ cỡ 10-4 M đến 10- 5 M ở thế - 1000V (so với điện cực Ag/AgCl) trong thời gian nhất định (khoảng 5 phút), sau đó tráng rửa điện cực bằng nƣớc cất, rồi nhúng điện cực vào dung dịch cần phân tích. - Tạo màng đồng thời (in-situ): bằng cách cho vào dung dịch phân tích một lƣợng Hg(NO3)2 khoảng 10-5M.

Hg2+ dễ bị khử, tạo nên màng mỏng thuỷ ngân trên bề mặt cực, lƣợng vết các kim loại khác đƣợc hoà tan trong màng đó khi điện phân làm giàu. Khi trên bề mặt điện cƣ̣c có màng Hg hầu hết các kim loại bị hoà tan vào Hg tạo thành hỗn hống, hoặc các chất phân tí ch hấp phụ lên lớp màng Hg trên bề mặt điện cƣ̣c. Sử dụng điện cực màng Hg nâng cao độ nhạy và độ chọn lọc của phƣơng pháp von-ampe hoà tan rất nhiều. Một trong rất nhiều thí dụ về ƣu điểm của cực màng thuỷ ngân là việc xác định đồng thời các ion Zn2+, Cd2+, In3+, Pb2+ và Cu2+ với độ lặp lại và độ chính xác cao [2, 3,16, 25, 38, 46, 50].

14 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Điện cực màng bismut Điện cực màng bismut (BiFE) đƣợc giới thiệu là một loại điện cực sử dụng khá hiệu quả trong trong phƣơng pháp von ampe hòa tan.