Chiết làm giàu Kẽm và Cadmi trong nước và xác định chúng nhờ phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)

Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 1(49)/năm 2009 Khoa học Xã hội Nhân 1 CHIẾT LÀM GIÀU KẼM VÀ CADMI TRONG NƯỚC VÀ XÁC ĐỊNH CHÚNG NHỜ PHỔ HẤP THỤ NGUYÊN TỬ (AAS) Nguyễn Đăng Đức - Nguyễn Thị Kim Ngân (Khoa Khoa học TN&XH - ĐH Thái Nguyên) 1. Më ®Çu Hiện nay, nước ta đang trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Các khu công nghiệp lớn đã và đang xây dựng lên ở nhiều nơi. Việc phát triển các khu công nghiệp đã dẫn đến những vấn đề về nước thải đổ ra môi trường. Trong nước thải có chứa một loạt các chất gây ô nhiễm ở dạng hữu cơ, vô cơ và vi sinh... Trong đó, phải kể đến các ion kim loại nặng: Cr3+, Mn 2+ , Zn 2+ , Cu 2+ , Cd 2+ , As 3+ , Hg 2+... Chúng có ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe của con người [1]. Vì vậy, việc xác định hàm lượng các kim loại nặng trong nước là cần thiết để đánh giá mức độ ô nhiễm và đưa ra biện pháp xử lí kịp thời. Chính vì lí do này, chúng tôi chọn nghiên cứu đề tài: “Chiết làm giàu kẽm và cadmi trong nước nhờ Amoni-pyrolidindithiocacbamat (APDC) và xác định chúng bằng phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)”. Để đạt được mục đích đó, chúng tôi đã nghiên cứu các vấn đề sau: 1. Thiết lập các điều kiện đo phổ AAS của Cd và Zn. 2. Nghiên cứu ảnh hưởng của nền axit, nền amoni axetat, ảnh hưởng của các cation, anion... đến phép đo phổ hấp thụ nguyên tử của Cd và Zn. 3. Tìm những điều kiện chiết tổ hợp Cd và Zn trong nước bằng amoni- pyrolidindithiocacbamat (APDC). 4. Ảnh hưởng của cation - amion đến quá trình chiết, giải chiết.. 5. Áp dụng, xác định Zn và Cd trong nước để đánh giá độ ô nhiễm của các kim loại này. 2. Thùc nghiÖm 2.1. ThiÕt bÞ vµ hãa chÊt Máy đo phổ hấp thụ nguyên tử Thermo electron corporation của Anh, máy đo pH- meter- Brazil của phòng thí nghiệm Hóa khoa Khoa học TN&XH. Các dụng dịch chuẩn Cd2+ và Zn2+ 1000ppm (MERK), thuốc thử APDC (MERK), dung dịch HCl 36%, HNO3 65%, NaNO3, KNO3, Ni(NO3)2, NH4Ac... đều thuộc dạng tinh khiết hóa học. Các dung dịch được pha chế theo kĩ thuật pha chế của phòng thí nghiệm [3]. 2.2. Khảo sát các điều kiện đo phổ [2]. Sau khi khảo sát các điều kiện đo phổ ở những điều kiện thích hợp, chúng tôi thu được kết quả ở bảng 1. Bảng 1. Điều kiện nguyên tử hóa mẫu và thông số máy đo Thông số Cd Zn Vạch đo 288,8 nm 213,9 nm Khe đo 0,5 nm 0,5 nm Cường độ đèn HCL 50% Imax 75% Imax Thành phần khí (C2H2/không khí) 1,1l/4,7l 1,1l/4,7l Chiều cao đèn nguyên tử hóa mẫu 5mm 8mm Tốc độ dẫn mẫu 5mL/phút 5mL/phút 2.3. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới phép đo Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 1(49)/năm 2009 Khoa học Xã hội Nhân 2 * Ảnh hưởng của các loại axit và nồng độ của chúng Để tránh sự thủy phân và tạo phức hiđroxo của các muối Cd2+ và Zn2+, môi trường của mẫu phải là axit. Mặt khác, trong quá trình xử lí mẫu, luôn phải cho thêm một lượng axit nhất định. Do vậy, chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của các loại axit và nồng độ khác nhau để tìm ra loại axit có ảnh hưởng ít nhất tới phép đo. Để khảo sát, chúng tôi thêm vào bình định mức 100mL, 10 mL Cd 2+ và 10ml Zn 2+ nồng độ 10ppm và lượng axit đặc tương ứng sao cho nồng độ của chúng là 1%, 2%, 3%. Kết quả được chỉ ra ở bảng 2.1 và 2.2. Bảng 2.1. Ảnh hưởng của axit đến độ hấp thụ của Cd (nồng độ 1ppm) bình định mức Axit Abs – Cd Lần 1 Abs – Cd Lần 2 Abs – Cd Lần 3 Abs – Cd Trung bình 0 0,090 0,090 0,089 0,090 HCl 1% 0,086 0,087 0,087 0,087 HCl 2% 0,086 0,086 0,087 0,086 HCl 3% 0,083 0,084 0,084 0,084 HNO3 1% 0,090 0,088 0,091 0,090 HNO3 2% 0,085 0,085 0,084 0,085 HNO3 3% 0,087 0,086 0,087 0,087 B¶ng 2.2. ¶nh h-ëng cña axit ®Õn ®é hÊp thô cña Zn (nång ®é 1ppm) Axit Abs-Zn Lần 1 Abs-Zn Lần 2 Abs-Zn Lần 3 Abs-Zn Trung bình 0 0,097 0,092 0,095 0,095 HCl 1% 0,092 0,092 0,092 0,092 HCl 2% 0,088 0,088 0,088 0,088 HCl 3% 0,085 0,085 0,089 0,086 HNO3 1% 0,096 0,096 0,097 0,096 HNO3 2% 0,095 0,094 0,096 0,095 HNO3 3% 0,094 0,091 0,091 0,092 Hai bảng trên cho thấy HNO3 1% cho độ hấp thụ cao nhất, do vậy nó được chọn làm nền. * Ảnh hưởng của thành phần nền Chúng tôi tiến hành khảo sát với hai chất nền là CH3COOH 13% và CH3COONa 13%. Kết quả được đưa ra ở bảng 3.1 và 3.2. Bảng 3.1. Ảnh hưởng của thành phần nền đối với Cd (1 ppm) Nền Abs- Cd Lần 1 Abs- Cd Lần 2 Abs- Cd Lần 3 Abs- Cd Trung bình 0 0,090 0,090 0,090 0,090 NH4Ac 1% 0,088 0,090 0,088 0,087 NH4Ac 2% 0,090 0,089 0,088 0,089 NH4Ac 3% 0,085 0,085 0,088 0,086 NaAc 1% 0,081 0,082 0,083 0,082 NaAc 2% 0,085 0,086 0,086 0,086 NaAc 3% 0,080 0,083 0,083 0,082 Bảng 3.2. Ảnh hưởng của thành phần nền đối với Zn (1 ppm) Axit Abs- Zn Lần 1 Abs- Zn Lần 2 Abs- Zn Lần 3 Abs- Zn Trung bình 0 0,100 0,120 0,100 0,106 NH4Ac 1% 0,099 0,099 0,100 0,099 NH4Ac 2% 0,105 0,107 0,106 0,106 NH4Ac 3% 0,099 0,098 0,101 0,099 NaAc 1% 0,100 0,099 0,098 0,099 NaAc 2% 0,101 0,100 0,099 0,100 NaAc 3% 0,103 0,101 0,101 0,102 Qua 2 bảng trên, chúng tôi chọn nền NH4Ac 2% là nền cho độ hấp thụ cao và ổn định nhất. 2.4. Xây dựng đường chuẩn xác định Cd và Zn Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 1(49)/năm 2009 Khoa học Xã hội Nhân 3 * Kĩ thuật chiết, giải chiết [5] Để làm tăng độ nhạy cho phép đo phổ hấp thụ nguyên tử của Cd và Zn, chúng tôi tiến hành quá trình chiết, giải chiết như sau: Cho 250mL dung dịch Cd và Zn 1ppm vào cốc, axit hóa mẫu đến pH = 2 nhờ HCl 10%, chuyển dung dịch vào phễu chiết, thêm 4 mL APDC 0,05% vào mẫu, thêm 10mL CCl4 lắc chiết 10 phút, để yên 5 phút. Sau đó, chiết tách lấy pha hữu cơ, lặp lại sự chiết 2 lần nữa, thu cả ba lần CCl4 vào phễu chiết khác. Giải chiết bằng10mL HNO3 2,5 M. Lấy dung dịch bay hơi còn muối ẩm, định mức đến 25mL bằng HNO3 1% và NH4Ac 2%. Sau đó tiến hành xác định các nguyên tố trong mẫu chuẩn bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (F-AAS). * Đường chuẩn xác định Cd và Zn [2] a. §-êng chuÈn x¸c ®Þnh Zn KÕt qu¶ x©y dùng ®-êng chuÈn ®-îc ®-a ra ë b¶ng 4.1 vµ h×nh 2. Bảng 4.1. Nồng độ các dung dịch chuẩn và độ hấp thụ của Zn Nồng độ Abs-Zn ppm Lần 1 Lần 2 Lần 3 Trung bình 0,50 0,057 0,057 0,057 0,057 1,00 0,109 0,105 0,114 0,109 2,00 0,215 0,215 0,214 0,215 2,50 0,268 0,268 0,269 0,268 Hình 2. Đường chuẩn xác định Zn b. Đường chuẩn xác định Cd Kết quả xây dựng đường chuẩn được đưa ra ở bảng 4.2 và hình 3. Bảng 4.2. Nồng độ các dung dịch chuẩn và độ hấp thụ của Cd Nồng độ Abs-Cd ppm Lần 1 Lần 2 Lần 3 Trung bình 0,50 0,045 0,044 0,045 0,045 1,00 0,090 0,090 0,090 0,090 2,00 0,179 0,177 0,178 0,178 3,00 0,263 0,266 0,266 0,265 Hình 3. Đường chuẩn xác định Cd * Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình chiết, giải chiết Căn cứ vào tài liệu [2,4] chúng tôi chọn pH tối ưu cho quá trình chiết là pH = 2. a. Ảnh hưởng của lượng dư thuốc thử Để khảo sát ảnh hưởng của lượng dư thuốc thử đối với sự tạo phức cadmi và kẽm. Chúng tôi chuẩn bị 4 mẫu, mỗi mẫu 2,5 mL Cd2+ và Zn2+ 1ppm. Thêm thể tích thuốc thử tăng dần: 2mL, 4mL, 6mL, 8mL vào 4 mẫu tương ứng. Sau đó tiến hành chiết và giải chiết như trên và đo độ hấp thụ, ta có kết quả được trình bày ở bảng 5. Bảng 5. Ảnh hưởng của lượng dư thuốc thử đến độ hấp thụ của Cd và Zn Mẫu số 1 2 3 4 VAPDC 2 4 6 8 Abs - Cd 0,084 0,085 0,086 0,085 Abs - Zn 0,095 0,097 0,095 0,096 Qua khảo sát chúng tôi nhận thấy, dùng 4mL thuốc thử là cho độ hấp thụ cao nhất, thể tích thuốc thử cao hơn ảnh hưởng không đáng kể đến độ hấp thụ của cadmi và kẽm. b. Ảnh hưởng của lượng dư chất giải chiết 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.5 1 2 2.5 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0,50 1,00 2,00 3 Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 1(49)/năm 2009 Khoa học Xã hội Nhân 4 Để xét ảnh hưởng của lượng dư chất giải chiết bằng HNO3 2,5M, ta chuẩn bị 4 mẫu dung dịch Cd2+ và Zn2+ 1ppm cho tạo phức lần lượt với 4mL APDC 0,05% chia 2 lần mỗi lần 2mL APDC. Sau đó, giải chiết bằng HNO3 trên với thể tích tương ứng là: 6mL, 8mL, 10mL, 12mL. Kĩ thuật chiết, giải chiết như trên. Kết quả thu được ở bảng 6. Bảng 6. Ảnh hưởng của lượng dư chất giải chiết đến độ hấp thụ của Cd và Zn Mẫu số 1 2 3 4 V(HNO3 2,5 M) (mL) 6 8 10 12 Abs -Cd 0,084 0,084 0,088 0,086 Abs - Zn 0,090 0,091 0,094 0,093 Dựa vào bảng kết quả ta thấy, giải chiết bằng HNO3 2,5M với thể tích bằng 10mL cho độ hấp thụ cao và ổn định nhất. Dùng lượng dư HNO3 2,5M ảnh hưởng không đáng kể đến độ hấp thụ của phép đo. c. Ảnh hưởng của các cation đến quá trình chiết, giải chiết Để khảo sát ảnh hưởng của các cation đến quá trình chiết, giải chiết, ta chuẩn bị 4 mẫu dung dịch Cd2+ và Zn2+ 1ppm cho tạo phức với APDC 0,05% như mục cho thêm các ion Fe2+, Ni 2+ , Cu 2+ và Al 3+ với các nồng độ tương ứng: 20, 30, 40, 50 ppm. Kết quả được chỉ ra ở bảng 7. Bảng 7. Ảnh hưởng của các cation đến quá trình chiết giải chiết Cd và Zn Mẫu số 1 2 3 4 Fe2+ 20 30 40 50 Ni2+ 20 30 40 50 Cu2+ 20 30 40 50 Al3+ 20 30 40 50 Abs-Cd 0,081 0,082 0,082 0,082 Abs-Zn 0,099 0,100 0,105 0,101 Qua khảo sát chúng tôi nhận thấy, các cation với nồng độ cao không ảnh hưởng tới phép đo phổ hấp thụ của cadmi và kẽm. 3. Xác định hàm lượng cadmi và kẽm bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (F-AAS) 3.1. Lấy mẫu và xử lí mẫu [4,5,6] Chúng tôi tiến hành lấy mẫu và xử lí mẫu theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 5992-1995). Địa điểm, ngày, giờ lấy mẫu được tóm tắt ở bảng 8. Bảng 8. Địa điểm lấy mẫu và kí hiệu mẫu Địa điểm Kí hiệu Ngày lấy mẫu Nước giếng khoan nhà bà Sự (cạnh nhà máy Kẽm điện phân) ĐP1 19/04/2008 Nước thải nhà máy Kẽm điện phân ĐP2 19/04/2008 Nước ngầm cạnh nhà máy Kẽm điện phân ĐP3 19/04/2008 Nước thải nhà máy cán thép Gia Sàng GS 20/04/2008 Nước ao trong kí túc xá KHTN - XH - ĐHTN KHTN 20/04/2008 Sau khi lấy mẫu, chúng tôi tiến hành lọc mẫu ngay, rồi thêm 5mL HNO3 1:1 vào mẫu để axit mẫu. Các mẫu sau khi lấy được xử lí như sau: Lấy 250 mL mẫu, axit hóa mẫu đến pH = 2 nhờ HCl 10%, chuyển dung dịch và phễu chiết 500mL, thêm 4mL APDC 0,05% vào mẫu, thêm 10mL CCl4 lắc chiết 10 phút để yên 5 phút. Sau đó, chiết tách lấy pha hữu cơ, lặp lại sự chiết hai lần nữa, thu cả ba lần CCl4 vào phễu chiết khác. Giải chiết bằng 10mL HNO3 2,5 M. Lấy dung dịch bay hơi còn muối ẩm, định mức đến 25mL bằng HNO3 1% và NH4Ac 2%. Sau đó, tiến hành xác định nguyên tố bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử (F-AAS). Tạp chí Khoa học & Công nghệ - Số 1(49)/năm 2009 Khoa học Xã hội Nhân 5 3.2. Xác định hàm lượng Cd và Zn Kết quả xác định được dẫn ra ở bảng 9. Bảng 9. Kết quả phân tích mẫu thực nghiệm TT Tên mẫu Nồng độ Cd (ppm) Nồng độ Zn (ppm) TCVN-Cd (ppm) TCVN-Zn (ppm) 1 ĐP 1 0,0016 2,5116 0,003 3,000 2 ĐP 2 0,0141 3,1394 3 ĐP 3 0,0042 2,8162 4 GS 0,0015 0,0128 5 KTX 0,0016 0,0197 Dựa vào bảng số liệu bảng trên ta thấy, nước ở khu vực KHTN - XH và Nhà máy Cán thép Gia Sàng nằm trong giới hạn cho phép với cả hai nguyên tố. Còn nước ở khu vực nhà máy Kẽm điện phân thì bị ô nhiễm, hàm lượng Cd và Zn nằm trên giới hạn cho phép. 4. Kết luận 1. Tìm được các điều kiện tối ưu cho quá trình xác định cadmi và kẽm nhờ AAS. 2. Chọn được loại axit và nồng độ axit, nền và nồng độ nền cho quá trình xác định. 3. Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đối với phép xác định cadmi và kẽm. 4. Tìm các điều kiện chiết, giải chiết Cd và Zn nhờ amoni pyrolidin đithiocacbamat (APDC). 5. Nghiên cứu ảnh hưởng của các cation - anion đến quá trình chiết, giải chiết Cd và Zn nhờ APDC. 6. Áp dụng để xác định Cd và Zn trong nước sau khi chiết, giải chiết chúng từ các mẫu nước bằng F- AAS. Nước thải ở mẫu ĐP2 bị ô nhiễm quá mức cho phép – cần khắc phục Summary Extraction and concentration Zn and Cd in water and determination their content by AAS 1. Find optimal conditions for analytical proceduce of Cd and Zn by F-AAS. 2. Choose kind of acids, concentration of acid and concentration of matrix substance for determination of Cd and Zn. 3. Research of extration and elution of Cd and Zn by amonipirolidindithiocacbamat (APDC) and the effect of cations and anions in of extraction of these ions. 4. Using proceduce for determination of Cd and Zn in water by F - AAS. Tài liệu tham khảo [1]. Các tiêu chuẩn nhà nuớc Việt Nam về môi trường - Tập 1- Chất lượng nước - Hà Nội 1995. [2]. Nguyễn Đăng Đức (2007), Xác định hàm lượng các ion kim loại crôm, mangan, đồng, chì, cadmi, asen, thủy ngân trong nước và lập biểu đồ ô nhiễm ở TP Thái Nguyên. Đề tài NCKH cấp Bộ (B2005-06-08) - Khoa KHTN-XH - Đại học Thái Nguyên. [3]. Phạm Luận (2006), Phương pháp phân tích phổ hấp thụ nguyên tử, Nxb Đại học Quốc gia HN. [4]. Phạm Luận (1987), Sổ tay pha chế dung dịch - phần 1, 2, Nxb Khoa học Kĩ thuật. [5]. Phạm Luận (1999), Giáo trình cơ sở của các kĩ thuật xử lí mẫu phân tích phần 1, 2, Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội. [6]. Phạm Luận (2006), Một số vấn đề cơ bản của sự chiết trong phân tích - Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội.