2/27/2009

Giáo trình hóa kó thuật môi trường

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH
DUNG
DỤ
NG CU
CỤ

1

PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH
DỤNG CỤ
Phương pháp phân tích điện hóa
Phương pháp quang phổ (quang học)
Phươ phap
h ù sắéc ky
k ù
Phương
Phương pháp phóng xạ
Phương pháp khối phổ

2

25

1


2/27/2009

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG HỌC
Phương pháp phân tích quang học (hay phân tích phổ) dựa trên việc
đo năng lượng bức xạ. Thông số đặc trưng cho năng lượng bức xạ là
bước sóng và được xác định bởi:

E=

h
hc

λ

-34 J
-27 erg.s
,
,
g
h : hằng số Planck,, h = 6,63.10
J.s = 6,63.10
c : vận tốc ánh sáng, c = 3.1010 cm/s
λ : Bước sóng ánh sáng

Tương tác của bức xạ điện từ với một chất được thể hiện ở hai quá
trình:
Quá trình hấp thụ
Quá trình phát xạ

3


Phương pháp hấp thụ
Bức xạ điện từ tới từ nguồn sáng sẽ bị chất cần đo hấp thụ và cường
độ bức xạ sẽ giảm đi.
Quá trình hấp thụ thường xảy ra khi phân tử chất nghiên cứu ở
ï g thái năng lương
ï g điệän tử thấp nhất ((trang
ï g thái cơ bản) nên có
trang
khả năng hấp thụ năng lượng của bức xạ điện từ khiến cho cường độ
bức xạ giảm đi.
Máy đo ảnh phổ là thiết bị ứng dụng quá trình hấp thụ năng lượng
bức xạ từ các tia cực tím hoặc tia hồng ngoại.
Thiết bị đo độ hấp thụ quang gồm các bộ phận sau:
Nguồn sáng ổn định
Bộ lọc ánh sáng Ỉ cho phép chọn bước sóng thích hợp cho chất
nghiê
hi ân cứ
ứu
Ngăn đo mẫu
Thiết bị đo năng lượng Ỉ chuyển đổi tín hiệu quang học thành
một tín hiệu nào đó có thể nhận biết được.
Sơ đồ tổng quát của các thiết bị đo quang ứng dụng quá trình hấp
thụdựa trên nguyên tắc cơ bản sau:
4

25

2



2/27/2009

Sơ đồ tổng quát của thiết bị đo độ hấp thụ quang

5

Dạng ngoài của máy spectrophotometer

6

25

3


2/27/2009

Sơ đồ quang học của máy spectrophotometer

7

ng dụng của phương pháp phổ hấp thụ trong phân tích môi trường
Chất cần phân tích

Thuốc thử

Bước sóng (nm)

Không khí
As


Bạc dietyldithiocacbaminat

HCHO

p-rosanilin

538
570

H2S

FeCl3, dimetyl-p-phenylendiamin

670

NH3

Nessler (K2HgI4)

450

NO, NO2

Axit sunfanilic, N-1-Naphtyll-etilendiamin-2HCl

550

Pb


Ditizon

510

SO2

p-rosanilin

569

Nước

25

Al

brompirogalol

623

Cl-

Hg(SCN)2

480

C (VI)
Cr

Di h

Diphenylcacbazit
l b it

540

Cu

Disunfonat battocuproin

480

Fe

o-phenalthrolin

510

NO3-, NO2-

Sunfanilamit, N-1-naphtyl-etilendiamin-2HCl

520

Phenol

Ferixyanua kiềm, 4-amin-antipirin

Photphat

Amoni molipdat


700

Si

Amoni molipdat

410

460,510

8

4


2/27/2009

Phương pháp phát xạ
Chất nghiên cứu cũng phát ra bức xạ điện từ và vì vậy sẽ làm tăng cường độ
bức xạ phát ra từ nguồn.
Quá trình phát xạ thường xảy ra khi chất nghiên cứu chứa những phân tử ở
trạng thái kích thích, những phân tử này có thể trở lại trạng thái cơ bản và
khi đó sẽ phát ra bức xạ điện từ khiến cho cường độ bức xạ điện từ tăng lên.
Máy quang phổ là thiết bị ứng dụng quá trình phát xạ nguyên tử.
Trong phân tích quang phổ chia ra:
Phương pháp quang phổ nhìn bằng mắt
Phương pháp quang phổ chụp ảnh
Phương pháp quang điện
Thiết bị phân tích quang phổ gồm các bộ phân sau:

Hệ thống chiếu sáng: gồm nguồn kích thích quang phổ và hệ thống tụ
quang.
Hệ thống tán sắc: gồm khe quang phổ và hệ thống vật kính và phần tử
tán sắc.
Hệ thống nhận.
9

Quang phổ ngọn lửa
Phương pháp này ứng dụng trong phân tích nước để xác định nồng
độ các kim loại kiềm, kiềm thổ như Na, K, Ca.
Phương pháp này ứng dụng ngọn lửa làm nguồn kích thích nguyên tử
ï g thái hoatï độäng
g.
ở trang
Sơ đồ nguyên lý của thiết bị quang phổ ngọn lửa được mô tả như sau:

10

25

5


2/27/2009

Quang phổ phát xạ
Phương pháp này được phát triển dựa trên phương pháp quang
phổ ngọn lửa với nhiều kiểu thiết bị chuyên dùng như:
g n hồ q
g nguồ

g n này sử dung
ï g sự p
g a2
Nguồ
quang:
phóng điệän giữ
cực chế tạo từ mẫu phân tích hoặc một cực là chất phân tích
còn cực kia được chế tạo từ chất liệu không chứa chất phân
tích.
Nguồn tia lửa điện: ứng dựng sự phóng điện giữa 2 điện cực
Ỉ thường dùng trong phân tích quang phổ định lượng
Nguồ
g n plasmatron:
p
là loạïi nguồ
g n đốt đặëc biệät với 2 điệän cựïc
graphit Ỉ nguộn tạo nhiệt độ cao và năng lượng lớn có khả
năng kích thích hầu hết các chất khó bay hơi, khó kích thích

11

Quang phổ hấp thụ nguyên tử
Phương pháp này ứng dụng trong phân tích nước để xác định nồng
độ các kim loại Cu, Zn, Ni, Mg, Cd, Hg, Au,...
Phương pháp hấp thụ nguyên tử dựa vào khả năng hấp thụ chọn lọc
các bứ
cac
bưcc xa
xạ cộng hương
hưởng củ

cua
a nguyen
nguyên tử
tư ơ
ở trạ
trang
ng thai
thái tự
tư do.
do

12

25

6


2/27/2009

Phương pháp tán xạ
Phương pháp này ứng dụng trong phân tích độ đục mẫu nước và chất
rắn lơ lửng dựa trên nguyên tắc ánh sáng bị tán sắc khi qua mẫu thí
nghiệm

13

13

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐIỆN HÓA

Phương pháp phân tích điện hóa dựa trên sự ứng dụng của các quá trình điện
hóa.
Trước đây phương pháp này được ứng dụng để đo pH của dung dịch. Ngày nay,
phương phap
pháp the
thế điện cự
cưcc con
còn đươc
được cả
caii tiế
tien
n thà
thanh
nh cac
các thiế
thiett bị ưng
ứng dung
dụng đe
để đo độ
dẫn điện, hàm lượng TDS (Total Dissolve Solid), hàm lượng DO (Dissolve
Oxygen),...
Phân loại các phương pháp phân tích điện hóa:
Phân tích điện khối lượng Ỉ tách từ dung dịch chất điện ly nững chất kết
tủa trên các điện cực khi cho dòng điện một chiều đi qua.
Phương pháp điện dẫn Ỉ đo độ dẫn điện của dung dịch phân tích.
Phươ phap
Phương
h ù điệ
đi än th
thế Ỉ đo

đ th
thế đien
đi â cự
ư c nhung
h ù vao
ø dung
d
dịch
dị h phan
h â tích.
tí h
Phương pháp cực phổ Ỉ đo cường độ dòng điện bị biến đổi.
Phương pháp điện lượng Ỉ đo lượng điện tiêu tốn cho sự điện phân

14

25

14

7


2/27/2009

Phương pháp phân tích điện thế
Phương pháp phân tích điện thế là phương pháp xác định nồng độ các ion dựa
vào sự thay đổi thế điện cực khi nhúng vào dung dịch phân tích.
Phương trình Nernst mô tả mối quan hệ giữa thế điện cực với hoạt động (hay
nồng độ) củ

nong
cua
a cấ
cau
u tử
tư trong một hệ oxy hoa
hóa – khư
khử thuận nghịch
nghịch.

E = Eo +

RT aoxh
RT foxh [Oxh ]
ln
ln
= Eo +
zF
akh
zF
fkh [ Kh ]

Trong đó:
Eo

: điện thế oxi hóa – khử tiêu chuẩn của hệ

R

y tưởng

: hằng số khí lý

T

: nhiệt độ tuyệt đối

F

: hằng số Faraday

z

: số điện tử tham gia trong phản ứng điện cực

aoxh, akh

: hoạt độ của các chất oxy hóa và chất khử

foxh, fkh

: hệ số hoạt độ của chất oxy hóa và chất khử

[Oxh], [Kh}

: nồng độ của chất oxy hóa và chất khử
15

Ví dụ
Ví dụng ứng dụng phương pháp phân tích điện thế là đo nồng độ Cl- trong
dung dịch.

AgCl + e- Ỉ Ag + Cl-

ECl = EClo +

RT
ln ⎡⎣Cl − ⎤⎦
zF

Hàm lượng Cl- dược xác định thông qua điện thế giữa hai điện cực

E = EClo − ESCE +

RT
ln ⎡⎣Cl − ⎤⎦
zF
F

ESCE : điện thế điện cực so sánh

16

25

8


2/27/2009

Điện cực khí
Điện cực được cấu tạo bởi kim loại trơ như: Pt, Au,... Tiếp xúc đồng

thời với khí và dung dịch chứa ion tương ứng với khí này.
Ví dụ: điện cực H2 gồm dây Pt tiếp xúc với khí H2 với áp suất của H2 =
1 atm vàø được nhúùng vàøo dung dịch
ị chứùa iion H+. Do Pt cóù khảû năng
hấp thụ mạnh H2, hệ thống trên được xem tương đương với trường
hợp một thanh H2 nhúng vào trong dung dịch H+.
Sơ đồ điện cực:

Pt(H2)/H2([H+])

Phản ứng điện cực:

2H+ + 2e- Ỉ H2

Ngoài điện cực khí hydro còn có điện cực khí Cl2, O2 với cấu tạo và
nguyên tắ
nguyen
tacc hoạ
hoatt động hoà
hoan
n toà
toan
n tương tự
tư .

17

Điện cực kim loại
Điện kim loại loại 1
Điện cực kim loại loại một là điện cực được chế tạo từ bản kim loại

hay dây kim loại không trơ M nhúng trong dung dịch chứa muối tan
Mn+ củûa kim
i loại đóù
Sơ đồ điện cực:
Phản ứng điện cực

M/([Mn+])
:

M - ne- Ỉ Mn+

Các điện cực kim loại loại một được chế tạo từ Ag, Hg, Cd.
Điện cực kim loại loại 2
Cấu tạ
Cau
tao
o cua
của điện cưc
cực kim loạ
loaii loạ
loaii hai bao gom
gồm kim loạ
loaii M mà
ma mặt
ngoài được phủ một lớp chất ít tan MA của kim loại đó và được
nhúng vào trong dung dịch muối có chứa anion An- Ỉ dùng để xác
định nồng độ ion An-.
Sơ đồ điện cực:
Phản ứng điện cực


M,MA↓/An:

MA + ne- Ỉ M + An18

25

9


2/27/2009

Điện cực oxy hóa - khử
Điện cực oxy hóa – khử được cấu tạo bởi kim loại trơ (Au, Pt, Pd) nhúng trong
dung dịch ion dạng oxy hóa – khử.
Ví dụ điện cực Pt nhúng vào dung dịch chứa FeCl3 và FeCl2
Sơ đo
đồ điện cưc:
cực:
Pt/Fe3+ Fe2+
Pt/Fe3+,
Phản ứng điện cực: Fe3+ + e- Ỉ Fe2+

Trong ví dụ trên, điện cực Pt được sử dụng
làm chất chỉ thị cho canb bằng chuẩn độ oxy
hóa khử với chất chuẩn là Fe3+ hoặc Fe2+.
Một vai
vài ion oxy hoa
hóa khư
khử đượ
đươcc sử

sư dụ
dung
ng như là
la
chất chỉ thị mô tả thời điểm diễn ra phản ứng
oxy hóa khử đặc biệt trong hệ thống xử lý
nước thải bằng phương pháp sinh học (quá
trình hiếu khí và oxy hóa hoặc quá trình kỵ khí
và khử).
19

Điện cực kim loại trong dung dịch muối nồng độ thấp
Loại điện cực này là một dạng của điện cực của kim loại loại hai được
cấu tạo gồm kim loại, bên ngoài được phủ một lớp chất ít tan của kim
loại đó nhúng trong dung dịch muối ở nồng độ thấp.
du như điện cưc
u tạ
tao
gồm Hg,
Hg calomel (Hg2Cl2) va
và
Ví dụ
cực calomel đươc
được cấ
cau
o gom
KCl
Sơ đồ điện cực:

Hg/Hg2Cl2/KCl


Phản ứng điện cực:

Hg+ + Cl- Ỉ 1/2Hg2Cl2 + e-

Điệ
ện cự
cưcc loai
oạ nà
ayy tthườ
ươ ng dù
du ng đe
để xá
acc đị
định hà
am
lượng muối trong dịch dịch

20

25

10


2/27/2009

Điện cực màng
Một trong các loại điện cực thường được sử dụng để đo các chỉ tiêu
chất lượng nước là điện cực màng.

Các điện cực màng thông thường là các bán pin có lớp màng phân cách
dung dịch nghiê
nghien
cưu
chuan
ơ ben
trong.
n cứ
u vơi
với một dung dịhc chuẩ
n ở
bên trong
điện cực màng hiện nay được ứng dụng rộng rãi để đo pH của dung
dịch.
Phân loại điện cực màng:
Điện cực màng thủy tinh
Điện cực màng tinh thể
Điện cực màng lỏûng
Ví dụ điện cực
màng

Đơn tinh thể
LaF3

Đa tinh thể
Ag2S

Màng thủy tinh
silicate


Màng lỏng

Công dụng

Xác định F-

Xác định S2- và
Ag+

Xác định Na+
và H+

Xác định Ca2+
và K+
21

Điện cực màng thủy tinh
Đây là loại điện cực thông dụng nhất dụng nhất.
Điện cực màng thủy tinh đo pH
Phổ biến nhất là thủy tinh chứa khoảng 22% Na2O,
C O vàø 72% SiO2 cóù kh
đ åi chọ
h n lọ
l c
6% CaO
khảû năêng trao đổ
ion H+ đến pH xấp xỉ 9
Khuyết điểm của điện cực thủy tinh đo pH là sai số
âm ở pH cao (khi pH >11)
Ngoài điện cực màng thủy tinh đo

pH,, ngườ
p
gươ i ta cò
co n chế
c e tao
tạo đươc
được cac
các
điện cực màng thủy tinh dùng để
xác định các ion như: Na+, K+,
NH+4, Cs+, Li+ và Ag-

22

25

11


2/27/2009

Điện cực màng lỏng
Điện cực màng lỏng ngày càng được phát triển
hơn và sử dụng rộng rãi hơn điện cực thủy
tinh.
Điện cự
dung
đe xac
trực tiế
tiep

cưcc nay
này dù
ng để
xác định trưc
p điện
thế của các cation nhiều hóa trị cũng như một
số anion và cation một hóa trị.
Các màng lỏng được chế tạo từ các chất trao
đổi ion lỏng giữ trên chất mang rắn, trơ và
xốp.
Các chất màng lỏng thuộc một trong ba loại:
Chất trao đổi cation
Chất trao đổi anion
Các hợp chất macrocyclic trung hòa

23

Điện cực màng tinh thể
Điện cực màng tinh thể được chế tạo từ một hợp chất ion
hoặc là một hổn hợp đồng thể của các hợp chất ion
Nhược điểm của loại điện cực này là độ dẫn điện bé ở nhiệt
độ phòng. Để cải thiện độ dẫn điện này người ta thường
thêm vào mạng tinh thể một lượng nhỏ ion hóa trị một để
làm tăng độ linh động của pha rắn. Các ion thường dùng là
F-(trong các fluoride đất hiếm), Ag+(trong halogenur Ag và
Ag2S), Cu+(trong Cu2S).
LaF3 là mộät loaiï chất khá lý
y tưởng sử dung
ï g để chế tao
ï điệän

cực màng tinh thể dùng cho việc xác định F-.

24

25

12


2/27/2009

Đầu dò khí
Là thiết bị có tính chọn lọc và độ nhạy cao dùng để xác định khí hòa tan
hoặc các ion có thể chuyển thành khí hòa tan khi hiệu chỉnh pH của môi
trường như: HCO3- Ỉ CO2, CN- Ỉ HCN, F- Ỉ HF, NH+4 Ỉ NH3, ...)
Bộ phận chính cua
lơp
mang
xop
mong
được lap
của đau
đầu do
dò khí la
là một lớ
p mà
ng vi xố
p mỏ
ng đươc
lắp

vào phần cuối của đầu dò và có thể thay thế một cách dể dàng.
Trong thiết bị còn có một điện cực thủy tinh và một điện cực chuẩn
Ag/AgCl.
Sử dụng đầu dò khí trong lónh vực môi trường.
Xác định hàm lượng O2 trong các bể xử lý sinh học hiếu khí.
Xác định hà
Xac
ham
m lượ
lương
ng CL2 dư (trong xư
xử ly
lý nươc
nước thả
thaii va
và nươc
nước cấ
cap)
p) va
và
F2 (trong xử lý nước cấp).
Xác định các chỉ tiêu ô nhiễm không khí như: CO, Nox, SOx,,...

25

25

13