Chapter 4-phuong Phap Phan Tich Dung Cu

2/27/2009

Giaùo trình hoùa kó thuaät moâi tröôøng

PHÖÔNG PHAÙP PHAÂN TÍCH DUNG DUÏ NG CU CUÏ

1

PHAÂN LOAÏI CAÙC PHÖÔNG PHAÙP PHAÂN TÍCH DUÏNG CUÏ Phöông phaùp phaân tích ñieän hoùa Phöông phaùp quang phoå (quang hoïc) Phöô phap h ù saééc ky k ù Phöông Phöông phaùp phoùng xaï Phöông phaùp khoái phoå

2

25

1

2/27/2009

PHÖÔNG PHAÙP PHAÂN TÍCH QUANG HOÏC Phöông phaùp phaân tích quang hoïc (hay phaân tích phoå) döïa treân vieäc ño naêng löôïng böùc xaï. Thoâng soá ñaëc tröng cho naêng löôïng böùc xaï laø böôùc soùng vaø ñöôïc xaùc ñònh bôûi:

E=

h hc

λ

-34 J -27 erg.s , , g h : haèng soá Planck,, h = 6,63.10 J.s = 6,63.10 c : vaän toác aùnh saùng, c = 3.1010 cm/s λ : Böôùc soùng aùnh saùng

Töông taùc cuûa böùc xaï ñieän töø vôùi moät chaát ñöôïc theå hieän ôû hai quaù trình: Quaù trình haáp thuï Quaù trình phaùt xaï

3

Phöông phaùp haáp thuï Böùc xaï ñieän töø tôùi töø nguoàn saùng seõ bò chaát cần đo haáp thuï vaø cöôøng ñoä böùc xaï seõ giaûm ñi. Quaù trình haáp thuï thöôøng xaûy ra khi phaân töû chaát nghieân cöùu ôû ï g thaùi naêng löông ï g ñieään töû thaáp nhaát ((trang ï g thaùi cô baûn) neân coù trang khaû naêng haáp thuï naêng löôïng cuûa böùc xaï ñieän töø khieán cho cöôøng ñoä böùc xaï giaûm ñi. Maùy ño aûnh phoå laø thieát bò öùng duïng quaù trình haáp thuï naêng löôïng böùc xaï töø caùc tia cöïc tím hoaëc tia hoàng ngoaïi. Thieát bò ño ñoä haáp thuï quang goàm caùc boä phaän sau: Nguoàn saùng oån ñònh Boä loïc aùnh saùng Æ cho pheùp choïn böôùc soùng thích hôïp cho chaát nghieâ hi ân cöù öùu Ngaên ño maãu Thieát bò ño naêng löôïng Æ chuyeån ñoåi tín hieäu quang hoïc thaønh moät tín hieäu naøo ñoù coù theå nhaän bieát ñöôïc. Sô ñoà toång quaùt cuûa caùc thieát bò ño quang öùng duïng quaù trình haáp thuïdöïa treân nguyeân taéc cô baûn sau: 4

25

2

2/27/2009

Sô ñoà toång quaùt cuûa thieát bò ño ñoä haáp thuï quang

5

Daïng ngoaøi cuûa maùy spectrophotometer

6

25

3

2/27/2009

Sô ñoà quang hoïc cuûa maùy spectrophotometer

7

Öùng duïng cuûa phöông phaùp phoå haáp thuï trong phaân tích moâi tröôøng Chaát caàn phaân tích

Thuoác thöû

Böôùc soùng (nm)

Khoâng khí As

Baïc 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

Nöôùc

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 kieàm, 4-amin-antipirin

Photphat

Amoni molipdat

700

Si

Amoni molipdat

410

460,510

8

4

2/27/2009

Phöông phaùp phaùt xaï Chaát nghieân cöùu cuõng phaùt ra böùc xaï ñieän töø vaø vì vaäy seõ laøm taêng cöôøng ñoä böùc xaï phaùt ra töø nguoàn. Quaù trình phaùt xaï thöôøng xaûy ra khi chaát nghieân cöùu chöùa nhöõng phaân töû ôû traïng thaùi kích thích, nhöõng phaân töû naøy coù theå trôû laïi traïng thaùi cô baûn vaø khi ñoù seõ phaùt ra böùc xaï ñieän töø khieán cho cöôøng ñoä böùc xaï ñieän töø taêng leân. Maùy quang phoå laø thieát bò öùng duïng quaù trình phaùt xaï nguyeân töû. Trong phaân tích quang phoå chia ra: Phöông phaùp quang phoå nhìn baèng maét Phöông phaùp quang phoå chuïp aûnh Phöông phaùp quang ñieän Thieát bò phaân tích quang phoå goàm caùc boä phaân sau: Heä thoáng chieáu saùng: goàm nguoàn kích thích quang phoå vaø heä thoáng tuï quang. Heä thoáng taùn saéc: goàm khe quang phoå vaø heä thoáng vaät kính vaø phaàn töû taùn saéc. Heä thoáng nhaän. 9

Quang phoå ngoïn löûa Phöông phaùp naøy öùng duïng trong phaân tích nöôùc ñeå xaùc ñònh noàng ñoä caùc kim loaïi kieàm, kieàm thoå nhö Na, K, Ca. Phöông phaùp naøy öùng duïng ngoïn löûa laøm nguoàn kích thích nguyeân töû ï g thaùi hoatï ñoääng g. ôû trang Sô ñoà nguyeân lyù cuûa thieát bò quang phoå ngoïn löûa ñöôïc moâ taû nhö sau:

10

25

5

2/27/2009

Quang phoå phaùt xaï Phöông phaùp naøy ñöôïc phaùt trieån döïa treân phöông phaùp quang phoå ngoïn löûa vôùi nhieàu kieåu thieát bò chuyeân duøng nhö: g n hoà q g nguoà g n naøy söû dung ï g söï p g a2 Nguoà quang: phoùng ñieään giöõ cöïc cheá taïo töø maãu phaân tích hoaëc moät cöïc laø chaát phaân tích coøn cöïc kia ñöôïc cheá taïo töø chaát lieäu khoâng chöùa chaát phaân tích. Nguoàn tia löûa ñieän: öùng döïng söï phoùng ñieän giöõa 2 ñieän cöïc Æ thöôøng duøng trong phaân tích quang phoå ñònh löôïng Nguoà g n plasmatron: p laø loaïïi nguoà g n ñoát ñaëëc bieäät vôùi 2 ñieään cöïïc graphit Æ nguoän taïo nhieät ñoä cao vaø naêng löôïng lôùn coù khaû naêng kích thích haàu heát caùc chaát khoù bay hôi, khoù kích thích

11

Quang phoå haáp thuï nguyeân töû Phöông phaùp naøy öùng duïng trong phaân tích nöôùc ñeå xaùc ñònh noàng ñoä caùc kim loaïi Cu, Zn, Ni, Mg, Cd, Hg, Au,... Phöông phaùp haáp thuï nguyeân töû döïa vaøo khaû naêng haáp thuï choïn loïc caùc böù cac böcc xa xaï coäng höông höôûng cuû cua a nguyen nguyeân töû tö ô ôû traï trang ng thai thaùi töï tö do. do

12

25

6

2/27/2009

Phöông phaùp taùn xaï Phöông phaùp naøy öùng duïng trong phaân tích ñoä ñuïc maãu nöôùc vaø chaát raén lô löûng döïa treân nguyeân taéc aùnh saùng bò taùn saéc khi qua maãu thí nghieäm

13

13

PHÖÔNG PHAÙP PHAÂN TÍCH ÑIEÄN HOÙA Phöông phaùp phaân tích ñieän hoùa döïa treân söï öùng duïng cuûa caùc quaù trình ñieän hoùa. Tröôùc ñaây phöông phaùp naøy ñöôïc öùng duïng ñeå ño pH cuûa dung dòch. Ngaøy nay, phöông phap phaùp the theá ñieän cöï cöcc con coøn ñöôc ñöôïc caû caii tieá tien n thaø thanh nh cac caùc thieá thiett bò öng öùng dung duïng ñe ñeå ño ñoä daãn ñieän, haøm löôïng TDS (Total Dissolve Solid), haøm löôïng DO (Dissolve Oxygen),... Phaân loaïi caùc phöông phaùp phaân tích ñieän hoùa: Phaân tích ñieän khoái löôïng Æ taùch töø dung dòch chaát ñieän ly nöõng chaát keát tuûa treân caùc ñieän cöïc khi cho doøng ñieän moät chieàu ñi qua. Phöông phaùp ñieän daãn Æ ño ñoä daãn ñieän cuûa dung dòch phaân tích. Phöô phap Phöông h ù ñieä ñi än th theá Æ ño ñ th theá ñien ñi â cöï ö c nhung h ù vao ø dung d dòch dò h phan h â tích. tí h Phöông phaùp cöïc phoå Æ ño cöôøng ñoä doøng ñieän bò bieán ñoåi. Phöông phaùp ñieän löôïng Æ ño löôïng ñieän tieâu toán cho söï ñieän phaân

14

25

14

7

2/27/2009

Phöông phaùp phaân tích ñieän theá Phöông phaùp phaân tích ñieän theá laø phöông phaùp xaùc ñònh noàng ñoä caùc ion döïa vaøo söï thay ñoåi theá ñieän cöïc khi nhuùng vaøo dung dòch phaân tích. Phöông trình Nernst moâ taû moái quan heä giöõa theá ñieän cöïc vôùi hoaït ñoäng (hay noàng ñoä) cuû nong cua a caá cau u töû tö trong moät heä oxy hoa hoùa – khö khöû thuaän nghòch nghòch.

E = Eo +

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

Trong ñoù: Eo

: ñieän theá oxi hoùa – khöû tieâu chuaån cuûa heä

R

y töôûng : haèng soá khí lyù

T

: nhieät ñoä tuyeät ñoái

F

: haèng soá Faraday

z

: soá ñieän töû tham gia trong phaûn öùng ñieän cöïc

aoxh, akh

: hoaït ñoä cuûa caùc chaát oxy hoùa vaø chaát khöû

foxh, fkh

: heä soá hoaït ñoä cuûa chaát oxy hoùa vaø chaát khöû

[Oxh], [Kh}

: noàng ñoä cuûa chaát oxy hoùa vaø chaát khöû 15

Ví duï Ví duïng öùng duïng phöông phaùp phaân tích ñieän theá laø ño noàng ñoä Cl- trong dung dòch. AgCl + e- Æ Ag + Cl-

ECl = EClo +

RT ln ⎡⎣Cl − ⎤⎦ zF

Haøm löôïng Cl- döôïc xaùc ñònh thoâng qua ñieän theá giöõa hai ñieän cöïc

E = EClo − ESCE +

RT ln ⎡⎣Cl − ⎤⎦ zF F

ESCE : ñieän theá ñieän cöïc so saùnh

16

25

8

2/27/2009

Ñieän cöïc khí Ñieän cöïc ñöôïc caáu taïo bôûi kim loaïi trô nhö: Pt, Au,... Tieáp xuùc ñoàng thôøi vôùi khí vaø dung dòch chöùa ion töông öùng vôùi khí naøy. Ví duï: ñieän cöïc H2 goàm daây Pt tieáp xuùc vôùi khí H2 vôùi aùp suaát cuûa H2 = 1 atm vaøø ñöôïc nhuùùng vaøøo dung dòch ò chöùùa iion H+. Do Pt coùù khaûû naêng haáp thuï maïnh H2, heä thoáng treân ñöôïc xem töông ñöông vôùi tröôøng hôïp moät thanh H2 nhuùng vaøo trong dung dòch H+. Sô ñoà ñieän cöïc:

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

Phaûn öùng ñieän cöïc:

2H+ + 2e- Æ H2

Ngoaøi ñieän cöïc khí hydro coøn coù ñieän cöïc khí Cl2, O2 vôùi caáu taïo vaø nguyeân taé nguyen tacc hoaï hoatt ñoäng hoaø hoan n toaø toan n töông töï tö .

17

Ñieän cöïc kim loaïi Ñieän kim loaïi loaïi 1 Ñieän cöïc kim loaïi loaïi moät laø ñieän cöïc ñöôïc cheá taïo töø baûn kim loaïi hay daây kim loaïi khoâng trô M nhuùng trong dung dòch chöùa muoái tan Mn+ cuûûa kim i loaïi ñoùù Sô ñoà ñieän cöïc: Phaûn öùng ñieän cöïc

M/([Mn+]) :

M - ne- Æ Mn+

Caùc ñieän cöïc kim loaïi loaïi moät ñöôïc cheá taïo töø Ag, Hg, Cd. Ñieän cöïc kim loaïi loaïi 2 Caáu taï Cau tao o cua cuûa ñieän cöc cöïc kim loaï loaii loaï loaii hai bao gom goàm kim loaï loaii M maø ma maët ngoaøi ñöôïc phuû moät lôùp chaát ít tan MA cuûa kim loaïi ñoù vaø ñöôïc nhuùng vaøo trong dung dòch muoái coù chöùa anion An- Æ duøng ñeå xaùc ñònh noàng ñoä ion An-. Sô ñoà ñieän cöïc: Phaûn öùng ñieän cöïc

M,MA↓/An:

MA + ne- Æ M + An18

25

9

2/27/2009

Ñieän cöïc oxy hoùa - khöû Ñieän cöïc oxy hoùa – khöû ñöôïc caáu taïo bôûi kim loaïi trô (Au, Pt, Pd) nhuùng trong dung dòch ion daïng oxy hoùa – khöû. Ví duï ñieän cöïc Pt nhuùng vaøo dung dòch chöùa FeCl3 vaø FeCl2 Sô ño ñoà ñieän cöc: cöïc: Pt/Fe3+ Fe2+ Pt/Fe3+, Phaûn öùng ñieän cöïc: Fe3+ + e- Æ Fe2+

Trong ví duï treân, ñieän cöïc Pt ñöôïc söû duïng laøm chaát chæ thò cho canb baèng chuaån ñoä oxy hoùa khöû vôùi chaát chuaån laø Fe3+ hoaëc Fe2+. Moät vai vaøi ion oxy hoa hoùa khö khöû ñöôï ñöôcc söû sö duï dung ng nhö laø la chaát chæ thò moâ taû thôøi ñieåm dieãn ra phaûn öùng oxy hoùa khöû ñaëc bieät trong heä thoáng xöû lyù nöôùc thaûi baèng phöông phaùp sinh hoïc (quaù trình hieáu khí vaø oxy hoùa hoaëc quaù trình kî khí vaø khöû). 19

Ñieän cöïc kim loaïi trong dung dòch muoái noàng ñoä thaáp Loaïi ñieän cöïc naøy laø moät daïng cuûa ñieän cöïc cuûa kim loaïi loaïi hai ñöôïc caáu taïo goàm kim loaïi, beân ngoaøi ñöôïc phuû moät lôùp chaát ít tan cuûa kim loaïi ñoù nhuùng trong dung dòch muoái ôû noàng ñoä thaáp. du nhö ñieän cöc u taï tao goàm Hg, Hg calomel (Hg2Cl2) va vaø Ví duï cöïc calomel ñöôc ñöôïc caá cau o gom KCl Sô ñoà ñieän cöïc:

Hg/Hg2Cl2/KCl

Phaûn öùng ñieän cöïc:

Hg+ + Cl- Æ 1/2Hg2Cl2 + e-

Ñieä eän cöï cöcc loai oaï naø ayy tthöôø öô ng duø du ng ñe ñeå xaù acc ñò ñònh haø am löôïng muoái trong dòch dòch

20

25

10

2/27/2009

Ñieän cöïc maøng Moät trong caùc loaïi ñieän cöïc thöôøng ñöôïc söû duïng ñeå ño caùc chæ tieâu chaát löôïng nöôùc laø ñieän cöïc maøng. Caùc ñieän cöïc maøng thoâng thöôøng laø caùc baùn pin coù lôùp maøng phaân caùch dung dòch nghieâ nghien cöu chuan ô ben trong. n cöù u vôi vôùi moät dung dòhc chuaå n ôû beân trong ñieän cöïc maøng hieän nay ñöôïc öùng duïng roäng raõi ñeå ño pH cuûa dung dòch. Phaân loaïi ñieän cöïc maøng: Ñieän cöïc maøng thuûy tinh Ñieän cöïc maøng tinh theå Ñieän cöïc maøng loûûng Ví duï ñieän cöïc maøng

Ñôn tinh theå LaF3

Ña tinh theå Ag2S

Maøng thuûy tinh silicate

Maøng loûng

Coâng duïng

Xaùc ñònh F-

Xaùc ñònh S2- vaø Ag+

Xaùc ñònh Na+ vaø H+

Xaùc ñònh Ca2+ vaø K+ 21

Ñieän cöïc maøng thuûy tinh Ñaây laø loaïi ñieän cöïc thoâng duïng nhaát duïng nhaát. Ñieän cöïc maøng thuûy tinh ño pH Phoå bieán nhaát laø thuûy tinh chöùa khoaûng 22% Na2O, C O vaøø 72% SiO2 coùù kh ñ åi choï h n loï l c 6% CaO khaûû naêêng trao ñoå ion H+ ñeán pH xaáp xæ 9 Khuyeát ñieåm cuûa ñieän cöïc thuûy tinh ño pH laø sai soá aâm ôû pH cao (khi pH >11) Ngoaøi ñieän cöïc maøng thuûy tinh ño pH,, ngöôø p göô i ta coø co n cheá c e tao taïo ñöôc ñöôïc cac caùc ñieän cöïc maøng thuûy tinh duøng ñeå xaùc ñònh caùc ion nhö: Na+, K+, NH+4, Cs+, Li+ vaø Ag-

22

25

11

2/27/2009

Ñieän cöïc maøng loûng Ñieän cöïc maøng loûng ngaøy caøng ñöôïc phaùt trieån hôn vaø söû duïng roäng raõi hôn ñieän cöïc thuûy tinh. Ñieän cöï dung ñe xac tröïc tieá tiep cöcc nay naøy duø ng ñeå xaùc ñònh tröc p ñieän theá cuûa caùc cation nhieàu hoùa trò cuõng nhö moät soá anion vaø cation moät hoùa trò. Caùc maøng loûng ñöôïc cheá taïo töø caùc chaát trao ñoåi ion loûng giöõ treân chaát mang raén, trô vaø xoáp. Caùc chaát maøng loûng thuoäc moät trong ba loaïi: Chaát trao ñoåi cation Chaát trao ñoåi anion Caùc hôïp chaát macrocyclic trung hoøa

23

Ñieän cöïc maøng tinh theå Ñieän cöïc maøng tinh theå ñöôïc cheá taïo töø moät hôïp chaát ion hoaëc laø moät hoån hôïp ñoàng theå cuûa caùc hôïp chaát ion Nhöôïc ñieåm cuûa loaïi ñieän cöïc naøy laø ñoä daãn ñieän beù ôû nhieät ñoä phoøng. Ñeå caûi thieän ñoä daãn ñieän naøy ngöôøi ta thöôøng theâm vaøo maïng tinh theå moät löôïng nhoû ion hoùa trò moät ñeå laøm taêng ñoä linh ñoäng cuûa pha raén. Caùc ion thöôøng duøng laø F-(trong caùc fluoride ñaát hieám), Ag+(trong halogenur Ag vaø Ag2S), Cu+(trong Cu2S). LaF3 laø moäät loaiï chaát khaù lyù y töôûng söû dung ï g ñeå cheá tao ï ñieään cöïc maøng tinh theå duøng cho vieäc xaùc ñònh F-.

24

25

12

2/27/2009

Ñaàu doø khí Laø thieát bò coù tính choïn loïc vaø ñoä nhaïy cao duøng ñeå xaùc ñònh khí hoøa tan hoaëc caùc ion coù theå chuyeån thaønh khí hoøa tan khi hieäu chænh pH cuûa moâi tröôøng nhö: HCO3- Æ CO2, CN- Æ HCN, F- Æ HF, NH+4 Æ NH3, ...) Boä phaän chính cua lôp mang xop mong ñöôïc lap cuûa ñau ñaàu do doø khí la laø moät lôù p maø ng vi xoá p moû ng ñöôc laép vaøo phaàn cuoái cuûa ñaàu doø vaø coù theå thay theá moät caùch deå daøng. Trong thieát bò coøn coù moät ñieän cöïc thuûy tinh vaø moät ñieän cöïc chuaån Ag/AgCl. Söû duïng ñaàu doø khí trong lónh vöïc moâi tröôøng. Xaùc ñònh haøm löôïng O2 trong caùc beå xöû lyù sinh hoïc hieáu khí. Xaùc ñònh haø Xac ham m löôï löông ng CL2 dö (trong xö xöû ly lyù nöôc nöôùc thaû thaii va vaø nöôc nöôùc caá cap) p) va vaø F2 (trong xöû lyù nöôùc caáp). Xaùc ñònh caùc chæ tieâu oâ nhieãm khoâng khí nhö: CO, Nox, SOx,,...

25

25

13